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面对日益严重的环境问题，开发绿色能源、研究提高能源的利用效率的理论和方法、研制新型高效的节能环保设备已经并将继续成为研究热点。本文以江苏省科技成果转化专项资金项目“焦炉烟气除尘专用超大型转换设备”（BA2005036）为背景，结合基础理论和工程实际，试验和数值研究了烟气转换阀组中气力输送流动特性、阀组结构的静/动力学特性，并运用多学科设计优化算法对烟气转换阀组系统进行综合优化。
利用自主设计的烟气转换阀组气力输送冷态试验装置，对不同参数下空气输送时烟气转换阀的阻力特性进行了试验测试。试验研究发现，烟气转换阀的流量系数和流阻系数均与气体的流动速度无关，而仅取决于烟气转换装置的尺寸、结构及内腔形状。采用RNGk-ε湍流模型数值模拟了阀组内部湍流的运动规律，比较计算结果与试验数据，验证了该湍流模型适用性和可靠性。
首次将固相场基于Lagrangian法和气相场基于Eulerian法的数值模拟方法引入到烟气转换阀组的数值模拟研究工作中，建立了合适的三维稀疏气固两相流模型，该模型经扩展后还可用于预测烟气转换阀组的固粒冲蚀磨损。根据仿真结果，分析了阀体结构、输送速度、颗粒浓度等对烟气转换阀组静压分布、输送压损及固粒冲蚀的影响，为阀组系统的综合优化提供气动参数的量化依据。
在分析烟气转换阀组传热特性的基础上，结合数值仿真技术中的热流、流固、热机耦合理论，提出运用多场耦合技术分析烟气转换阀组的静/动力学特性，建立了烟气转换阀组装置的静/动力学仿真模型。得到了不同工况下，阀组内温度场和流场的分布规律，阀体静应力/应变分布规律，阀组装置的动力响应规律，为阀组系统的综合优化提供结构参数的量化依据。
为使烟气转换阀组系统运行参数和结构参数综合最优，以气动和结构分析结果为设计准则，参照基于响应面的并行子空间优化算法，率先提出了烟气转换阀组的二级多学科设计优化框架，实现了涉及到多学科、多物理场的复杂机械产品设计中CAD建模过程、CAE分析过程以及CAO优化过程的一体化集成，是目前机械产品设计领域的一大拓展。