風(fēng)洞調壓閥數值模擬和結構設計

　　以國內2.4m 跨聲速風(fēng)洞調壓閥為對象，使用CFD 軟件、采用基于壓力的隱式coupled算法和標準k - ε 湍流模型，實(shí)現了調壓閥可壓縮穩態(tài)流場(chǎng)的數值模擬，及對調壓閥加設整流錐、調壓閥并聯(lián)旁路閥和調壓閥并聯(lián)旁路閥并加設整流錐三種閥門(mén)模型進(jìn)行數值模擬和驗證。結果表明，數值模擬的流量與真實(shí)值誤差0.43%，壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)能反映實(shí)際現象，旁路閥全開(kāi)時(shí)增加87%以上的流量，整流錐降低了閥后壓力梯度和校正軸向核心流偏向作用明顯。

1、概述

　　調壓閥是暫沖式跨聲速風(fēng)洞的關(guān)鍵設備，設計為內部軸向對稱(chēng)的環(huán)形流道結構，通過(guò)閥體內固定件的堵塞作用和運動(dòng)件以不同開(kāi)度控制流通面積，對氣流量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現閥后壓力調節的目的。工作中，氣流將產(chǎn)生巨大的沖擊和反復的交變載荷，并引起振動(dòng)，對閥門(mén)的材料和結構造成損害，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)可能影響工作性能和安全。暫沖式跨聲速風(fēng)洞的調壓閥內流場(chǎng)涉及氣流的壓縮和膨脹系列復雜變化過(guò)程，必須進(jìn)行準確的數值模擬才能獲得閥體內流場(chǎng)的真實(shí)信息。本文以2.4m 暫沖型引射式半回流跨聲速增壓風(fēng)洞用調壓閥為研究對象，運用CFD 軟件對閥門(mén)內部流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬。結果驗證準確后，對調壓閥加設整流錐、調壓閥并聯(lián)旁路閥和調壓閥并聯(lián)旁路閥及設整流錐三種方案進(jìn)行數值模擬和結構設計，為風(fēng)洞調壓閥改造或新設計提供了參考方案。

2、風(fēng)洞調壓閥流場(chǎng)數值模擬

　　2.1、計算模型

　　在網(wǎng)格劃分軟件Gridgen中對調壓閥進(jìn)行建模，入口和出口取8 倍管道直徑長(cháng)度，使用非結構網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并在流體流動(dòng)復雜的調壓閥包絡(luò )區域內進(jìn)行網(wǎng)格加密，模型入口和出口分別設置為壓力入口和壓力出口邊界條件，其余部分設置為壁面條件(圖1) 。幾何模型的網(wǎng)格數量是6.9 萬(wàn)。

　　總長(cháng)3.3m，出入口內徑1.3m，套筒最大行程550mm。調壓閥內部錐狀殼體是固定部件，對氣流具有整流和堵塞作用，閥門(mén)末端套筒是活動(dòng)部件，在PID 閉環(huán)控制作用下調整開(kāi)度。殼體和套筒共同實(shí)現了閥后壓力的降壓和穩定。

圖1 調壓閥模型網(wǎng)格

　　2.2、參數設置

　　2.4m 跨聲速風(fēng)洞的試驗馬赫數為0.3 ～ 1.43，研究中選取風(fēng)洞0.8 馬赫常規試驗工況參數進(jìn)行分析(表1) 。

表1 風(fēng)洞試驗數據

　　對表1 的兩次試驗數據進(jìn)行平均處理，并結合其他參數分析，得到貼近調壓閥工作實(shí)際的數據�？芍�，吹風(fēng)中調壓閥前端總壓為1 129. 5kPa，而閥后較長(cháng)氣流管道的出口靜壓近似為900kPa，試驗進(jìn)程中流經(jīng)主調壓閥的氣體流量為460kg /s，來(lái)流速度32m/s。

　　調壓閥計算模型建立后，文件導入CFD 計算軟件進(jìn)行數值模擬。經(jīng)調試和分析，確定使用基于壓力的隱式coupled 算法、標準k - ε 湍流模型進(jìn)行計算獲得了滿(mǎn)意結果。前處理時(shí)，邊界條件設置為壓力入口和壓力出口條件，并設定入口總壓1 129.5kPa、表壓1 122.5kPa，出口表壓900kPa，介質(zhì)選擇理想可壓縮空氣，計算模型的套筒開(kāi)度450mm。

　　2.3、模擬結果

　　迭代計算8 000 步后計算殘差收斂，獲得CFD數值模擬結果。根據結果得知，計算模型的入口和出口壓力值與前處理的設定值相符，出入口質(zhì)量流量為458kg /s，與真實(shí)值460kg /s 的誤差為0.43%( 圖2，圖3) 。

圖2 計算模型的壓力分布云圖

圖3 閥門(mén)軸向速度云圖和速度矢量圖

　　分析可知，風(fēng)洞入口管道內的氣體在調壓閥的調節作用下實(shí)現了壓力的降低，但氣流的壓縮和膨脹變化使調壓閥流場(chǎng)也變得十分復雜。一是調壓閥閥后小片區域內壓力場(chǎng)不均勻且壓差變化大。流場(chǎng)內最高靜壓1 130kPa，最低靜壓789kPa。二是對應速度場(chǎng)方面，閥后較長(cháng)管道內的軸向速度場(chǎng)不均勻不對稱(chēng)，核心流偏移至出口管道的上壁面。流場(chǎng)內軸向最大速度221m/s，最小速度- 66m/s。三是渦流的存在，閥后導向支桿的一對渦流尺度較小且有一定對稱(chēng)性，而出口管道內的一對渦流尺度大且不對稱(chēng)。上述特點(diǎn)決定了氣流流過(guò)閥門(mén)后，閥門(mén)將承受不對稱(chēng)不均勻的交變氣動(dòng)載荷破壞和由此引起的振動(dòng)損害，長(cháng)期工作會(huì )對閥門(mén)的性能和安全造成影響，也是暫沖式跨聲速風(fēng)洞的共性，有必要對調壓閥進(jìn)行改造或新設計研究。

3、風(fēng)洞調壓閥的結構優(yōu)化

　　調壓閥工作時(shí)受交變載荷和振動(dòng)影響，主要原因是壓差和閥后流場(chǎng)非對稱(chēng)失穩。實(shí)際上，流場(chǎng)環(huán)境很大程度上依賴(lài)于閥門(mén)的結構形式，因此，對調壓閥進(jìn)行結構設計和數值模擬驗證。

　　3.1、整流錐結構

　　對調壓閥增加整流錐其錐度為1.6，安裝于調壓閥的套筒后端，錐體開(kāi)直徑2.5cm 和5cm 的兩圈通氣孔用于調節壓差，閥門(mén)驅動(dòng)裝置延長(cháng)0. 3m，導向裝置及支架構件同步外移。結構改進(jìn)后，通過(guò)調壓閥獨立運行流場(chǎng)的數值模擬方法進(jìn)行分析，計算網(wǎng)格6.9 萬(wàn)( 圖4、圖5) 。由圖像顯示，帶整流錐閥門(mén)流場(chǎng)特性與原模型流場(chǎng)整體相似，但閥門(mén)關(guān)鍵區域的流場(chǎng)得到明顯優(yōu)化。一是壓力場(chǎng)在主調壓閥的導向裝置和出口管道前端表現出較好的對稱(chēng)性和均勻性，雖有壓差存在已明顯減小。流場(chǎng)內最高靜壓1 130kPa，最低靜壓769kPa。二是速度場(chǎng)的軸向核心流得到改善，方向稍偏于管道上壁面，特別是通過(guò)圖3 和圖5 對比顯示，結構設計后的主調壓閥流場(chǎng)變得更為合理。流場(chǎng)內軸向最大速216m /s，最小速度- 68m /s。三是渦流的強度和尺度變小，渦流的對稱(chēng)性也得到明顯改善。改進(jìn)后，流場(chǎng)整體上表現出了良好的對稱(chēng)性和均勻性，說(shuō)明設計整流錐的方案優(yōu)化了流場(chǎng)特性，對改善閥門(mén)受氣動(dòng)力和振動(dòng)破壞具有明顯效果。計算模型中出入口質(zhì)量流量為450kg /s。

圖4 安裝整流錐的調節閥計算模型的壓力分布云圖

圖5 安裝整流錐的調節閥軸向速度云圖和速度矢量圖

　　3.2、并聯(lián)旁路閥結構

　　對調壓閥進(jìn)行并聯(lián)旁路閥設計，其主要目的在于增加進(jìn)氣量，旁路管道直徑0.33m。計算模型網(wǎng)格10.6 萬(wàn)( 圖6、圖7) 。根據結果分析，計算模型數值模擬所得入口和出口壓力吻合于前處理設定值，模型出入口質(zhì)量流量為870kg /s，相比調壓閥獨立運行的流量460kg /s，增量89%，說(shuō)明旁路在增加風(fēng)洞進(jìn)氣流量方面效果明顯。

　　旁路既增加了流量，又改善了主管道流場(chǎng)的狀況。對比調壓閥獨立運行模型分析，在主管道流場(chǎng)中，閥后的壓力場(chǎng)壓差分布雖較為明顯，但不特別突出。流場(chǎng)內最高靜壓1 130kPa，最低靜壓471kPa。旁路入口和閥門(mén)前端的軸向速度場(chǎng)不均勻，但閥后軸向速度場(chǎng)的均勻性和方向性較好。流場(chǎng)內軸向最大速度330m /s，最小速度- 73m /s。閥門(mén)導向裝置處的渦流強度與尺度相當并有一定對稱(chēng)性，主管道閥門(mén)出口前端的兩個(gè)渦流強度和尺度較大，但相比調壓閥原模型有明顯改善。但對旁路流場(chǎng)而言，旁路區域內存在多處不對稱(chēng)不均勻的壓力場(chǎng)，在旁路閥內殼體后端表現最為明顯，并有對稱(chēng)渦流，主要原因是旁路屬于彎直結合的不規則管道，弧度變化大，氣流在旁路流通時(shí)受擾動(dòng)強烈，形成不均勻不對稱(chēng)流場(chǎng)。

圖6 并聯(lián)旁路閥的調節閥計算模型壓力分布云圖

圖7 并聯(lián)旁路閥的調節閥軸向速度云圖和速度矢量圖

　　3.3、并聯(lián)旁路閥與增設整流錐結構

　　對并聯(lián)旁路閥的調壓閥加設整流錐，即將增加整流錐方案和并聯(lián)旁路閥方案組合。整流錐參數及安裝方式與僅增加整流錐相同，網(wǎng)格數量10. 6 萬(wàn)( 圖8，圖9) 。結構組合后，流場(chǎng)突出的變化是整流錐的應用降低了旁路的流量，旁路的最大流速也減小。此方案在分配主旁管道流量方面優(yōu)于并聯(lián)旁路設計，流場(chǎng)的順暢度和主調壓閥導向裝置處的渦流在設計后得到優(yōu)化，整流錐產(chǎn)生了積極效果，但旁路管道和旁路閥受氣動(dòng)力破壞以及振動(dòng)現象依然存在。模型出入口質(zhì)量流量為860kg /s，相比調壓閥獨立運行，流量增加87%。另外，流場(chǎng)內最高靜壓1 130kPa，最低靜壓488kPa，軸向最大速度304m /s，最小速度- 69m /s。

圖8 組合調節閥計算模型的壓力分布云圖

圖9 組合調節閥軸向速度云圖和速度矢量圖

4、結語(yǔ)

　　運用CFD 方法對2.4m 跨聲速風(fēng)洞的調壓閥流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，分析閥門(mén)的流場(chǎng)環(huán)境和特性，并對三種不同結構設計的調壓閥流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬和分析，獲得了具有參考意義的結論。

　　(1) 采用基于壓力的隱式coupled 算法和標準k- ε 湍流模型，對大型氣體調壓閥流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，計算模型的出入口壓力和流量與工程實(shí)際相符，該方法在模擬大型氣體調壓閥二維有粘可壓縮流場(chǎng)中具有一定運用價(jià)值。

　　(2) 在調壓閥的結構設計方案中，并聯(lián)的旁路設計增加87% 以上流量，并能一定程度地優(yōu)化流場(chǎng)。整流錐設計對流場(chǎng)優(yōu)化效果明顯，使調壓閥因交變氣動(dòng)載荷和振動(dòng)破壞有效降低。

　　(3) 整流錐設計方案在流場(chǎng)控制和優(yōu)化方面較為簡(jiǎn)單有效，并能降低成本。若從增加流量角度考慮，應選擇組合方案。