安全閥流場(chǎng)和排量的模擬及試驗研究
開(kāi)展了安全閥流場(chǎng)數值模擬的理論研究，獲得了安全閥排放時(shí)的內部壓力分布圖以及速度矢量圖，計算了安全閥在不同入口壓力下的排量值，測試了在不同入口壓力下閥門(mén)的排量，分析了計算數據和試驗結果的差異，證明了數值模擬方法可以有效地模擬安全閥內部的流動(dòng)情況。
1、概述
安全閥是各類(lèi)承壓設備不可缺少的安全附件，對于保障設備正常運行和安全生產(chǎn)具有重要的作用。安全閥內部流場(chǎng)的速度、壓力和溫度的分布對安全閥性能影響很大，了解閥門(mén)內部的各種物理場(chǎng)分布，可以更好的設計安全閥。本文通過(guò)數值模擬技術(shù)獲得了先導式安全閥排放過(guò)程中閥體內部的流場(chǎng)、壓力和速度的分布，通過(guò)模擬計算的結果，指導安全閥的設計，以更快的速度獲得更加優(yōu)化的產(chǎn)品。
2、計算模型
2.1、求解域建模和網(wǎng)格劃分
安全閥的流場(chǎng)區域是從安全閥入口到出口，由閥體、閥座、閥瓣等零件所圍成的三維空間。為了減少計算量，對流場(chǎng)區域進(jìn)行了簡(jiǎn)化。①簡(jiǎn)化固壁邊界，忽略了壁面上的一些小邊角及小空隙對流場(chǎng)的影響( 圖1) 。②整個(gè)流場(chǎng)區域從幾何形狀上看，相對于Y-Z 面是對稱(chēng)的，所以假設整個(gè)流動(dòng)狀態(tài)也是面對稱(chēng)的。因此，計算域只取一半的流場(chǎng)空間區域。
圖1 簡(jiǎn)化后的流腔模型
圖2 網(wǎng)格劃分
將計算實(shí)體導入劃分網(wǎng)格軟件( 圖2) 。由于流場(chǎng)區域比較復雜，因此采用非結構化網(wǎng)格。
2.2、邊界條件
入口邊界采用壓力入口的總壓和總溫數值為安全閥入口壓力和溫度條件。出口邊界采用壓力出口的總壓和總溫數值為大氣壓力和環(huán)境溫度條件。壁面邊界因為是粘性流動(dòng)所以采用壁面無(wú)滑移條件。對稱(chēng)面邊界條件采用對稱(chēng)平面內法向速度為0 和所有變量的法向梯度為0。
2.3、內部參數設置
將劃分好的網(wǎng)格文件導入數值模擬軟件中，針對研究的流場(chǎng)，求解連續方程和動(dòng)量方程。由于是湍流問(wèn)題，建立了相應的湍流模型。模型求解器選擇壓力基隱式求解，粘性模型選擇k - e 模型。流體介質(zhì)設置為空氣。
3、仿真及分析
迭代約200 次之后模型計算收斂。由壓力分布圖( 圖3 和圖4) 可以看出，在入口段，壓力幾乎沒(méi)有變化，在安全閥喉部，壓力急劇降低，在出口段，壓力的分布較不均勻，證明流體經(jīng)過(guò)喉部以后，在出口段流動(dòng)已經(jīng)比較紊亂。從速度矢量圖( 圖5 和圖6) 也可以看出，流體經(jīng)過(guò)喉部以后，流體速度矢量的方向比較紊亂，有的地方甚至出現了旋渦。
圖3 壓力分布云圖
4、排量計算
安全閥理論排量計算方法都是基于理想當量噴管的排量公式導出。安全閥的額定計算排量等于當量理想噴管排量乘以一個(gè)小于1 的系數，即排量系數。對于某一特定的安全閥設計，需要通過(guò)排放量測定試驗，得到此類(lèi)安全閥排量系數。安全閥的排量系數的大小取決于安全閥的結構、流道部分的形狀、尺寸比例、密封面型式、閥瓣結構以及閥門(mén)與流體接觸表面的粗糙度等因素。在閥座通道截面直徑不變的條件下，對安全閥排量系數影響最大的是閥瓣開(kāi)啟高度、導向筋引起的流道截面縮小和閥座的形狀( 圓柱形或噴嘴形) 。
圖4 喉部壓力分布云圖
圖5 速度矢量圖
圖6 喉部速度矢量圖
大量的測試數據表明，對于流道結構形狀具有幾何相似特點(diǎn)的同一系列或同一設計的安全閥，其排量系數基本上是一致的。安全閥的排量系數Kd為
由于排量試驗的成本較高，況且在高壓下的蒸汽排量試驗不具備條件。利用CFD 軟件進(jìn)行部分模擬排量試驗，則可以節約試驗經(jīng)費，縮短產(chǎn)品的研制周期。在模擬計算的基礎上，通過(guò)對安全閥入口面或出口面進(jìn)行速度積分，可以得到安全閥的質(zhì)量流量，即排量(表1) 。
表1 安全閥排量計算值
5、排量試驗
安全閥排量試驗按照GB/T 12242 的要求在試驗裝置上進(jìn)行。試驗以空氣為介質(zhì)，背壓為大氣壓�？諝獾捏w積排量通過(guò)二次儀表讀數，試驗誤差范圍為±2%。試驗中，分別在0.5、0.6、0.7MPa 三個(gè)壓力值下測定空氣的體積排量。將計算結果與試驗結果對比(表2) ，可以看出，計算誤差約5%。
表2 安全閥排量試驗值
6、結語(yǔ)
在安全閥的產(chǎn)品研發(fā)中引入數值模擬的方法可以有效的模擬內部的流動(dòng)情況，并且根據數值模擬計算出的排量數值精確可靠，可以對安全閥的設計提供參考。
