安全閥穩態(tài)泄放過(guò)程的瞬態(tài)模擬與試驗驗證

　　該文采用瞬態(tài)模擬方法對開(kāi)啟過(guò)程的穩態(tài)泄放流動(dòng)機理進(jìn)行了研究，采用路徑分析法和流線(xiàn)分析法研究了內部和外部泄放流道中流場(chǎng)參數的變化特點(diǎn)，對比了模型的相關(guān)參數在典型路徑上的變化關(guān)系。分析了流動(dòng)的跨音速發(fā)展和演化情況，進(jìn)而說(shuō)明了安全閥與傳統噴管在超音速機理方面的異同。同時(shí)分析發(fā)現喉部并未如傳統理論預期出現超音速流，而傳統認為不會(huì )出現超音速流的閥口流場(chǎng)附近區域(密封面)和反沖盤(pán)出口卻出現了全面超音速流。利用所開(kāi)發(fā)的實(shí)驗裝置對開(kāi)啟過(guò)程參數進(jìn)行了驗證測試。模擬結果與測試數據的對比表明，三維瞬態(tài)模擬和實(shí)驗數據非常吻合。

　　安全閥在超壓開(kāi)啟過(guò)程中，泄放流道中流態(tài)變化一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。前人關(guān)于這方面的研究大多基于實(shí)驗實(shí)測和軟件模擬兩個(gè)方面。試驗研究一般集中在安全閥性能參數測定等方面�？档吕�契娃主要采用實(shí)驗技術(shù)研究了全啟式安全閥的開(kāi)啟機理，提出了基于實(shí)驗的開(kāi)高-升力-彈簧力曲線(xiàn)。美國學(xué)者Sallet采用了流量實(shí)驗、流場(chǎng)顯形、流場(chǎng)測量等方法來(lái)探討安全閥的工作機理。邱曉來(lái)用實(shí)驗測試了安全閥開(kāi)啟高度與排量系數之間的關(guān)系。O.Frommann和J.Cremers研究了泄放過(guò)程中的頻跳及振蕩，提出了修正的壓力波動(dòng)尺度算法。王澤清通過(guò)

　　試驗測定升力，整理得到了低和高背壓下微啟式彈簧安全閥升力曲線(xiàn)。周?chē)�發(fā)認為由于閥瓣流阻導致安全閥一般在亞臨界狀態(tài)工作。安全閥數值模擬研究一般是對安全閥流動(dòng)區域建模，通過(guò)計算得出流場(chǎng)參數分布。目前有兩種模擬和試驗方法，一種是固定開(kāi)高模擬和試驗，另一種是瞬態(tài)開(kāi)啟模擬與試驗。固定開(kāi)高模擬的特點(diǎn)是將安全閥的閥芯固定到某個(gè)開(kāi)啟高度，使密封面內外流域連通，然后離散流域進(jìn)行流場(chǎng)分析，其試驗也遵循同一方式。瞬態(tài)模擬則不固定開(kāi)高，利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方程(CEL編程)來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)開(kāi)啟模擬，其試驗也采用瞬態(tài)開(kāi)啟方式。這兩種方法最重要的區別在于，瞬態(tài)分析和試驗法充分考慮了開(kāi)啟過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，尤其運動(dòng)件和流體的慣性耦合效應。而固定開(kāi)高模擬和試驗法則忽略了開(kāi)啟過(guò)程中流體及開(kāi)啟部件慣性效應。BernhardFollmer在A(yíng)PI標準系列安全閥參數評估研究中，利用3D模型固定開(kāi)高方法計算可壓縮流動(dòng)，并將計算結果與試驗數據進(jìn)行了比較，結果很吻合。陳殿京采用固定開(kāi)高法對兩種湍流模型開(kāi)啟過(guò)程的3D穩態(tài)流場(chǎng)和特性進(jìn)行了研究。駱輝采用CFX軟件研究了3D安全閥模型在固定開(kāi)高下的穩態(tài)流場(chǎng)及結構參數對穩態(tài)升力的影響。SongX.G利用3D模型的固定開(kāi)高法，擬合了升力系數隨開(kāi)啟高度變化的關(guān)系式。梁寒雨率先采用2D對稱(chēng)模型研究了安全閥瞬態(tài)開(kāi)啟過(guò)程閥口流場(chǎng)的數值求解技術(shù)，并進(jìn)行了試驗驗證。

　　SongX.G采用3D模型瞬態(tài)模擬了安全閥開(kāi)啟過(guò)程中壓力、馬赫數隨時(shí)間變化，但沒(méi)有試驗驗證。羅輝東和張清懿用2D瞬態(tài)模擬方法和試驗分別對安全閥瞬態(tài)開(kāi)啟過(guò)程反沖效應和流量檢測方法加以研究。朱壽林采用3D瞬態(tài)模型，利用路徑分析法，研究了瞬態(tài)開(kāi)啟流場(chǎng)相關(guān)參數在典型路徑上的變化規律，并進(jìn)行了對比驗證。戴芳芳研究了瞬態(tài)開(kāi)啟過(guò)程中3D模型反沖效應機理及其計算，并完成試驗驗證。

　　從安全閥的結構及動(dòng)作特性看，一般認為其流場(chǎng)參數的變化規律類(lèi)似于噴管流動(dòng)。然而，嚴格來(lái)說(shuō)安全閥的實(shí)際結構和動(dòng)作過(guò)程和噴管有所差別。本文以專(zhuān)利技術(shù)為基礎，結合近年來(lái)的研究進(jìn)展，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)結合動(dòng)態(tài)數據采集系統對超壓開(kāi)啟流場(chǎng)機理開(kāi)展研究，并進(jìn)行瞬態(tài)開(kāi)啟試驗驗證。

1、三維數值模擬

　　1.1、建立幾何模型

　　采用CFX的流固耦合方法建立流體域的計算模型，通過(guò)Pro/E給出三維1/2模型，如圖1所示。

圖1 三維簡(jiǎn)化模型

結論

　　本文采用CFX動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對3D模型的瞬態(tài)開(kāi)啟過(guò)程進(jìn)行了模擬分析和試驗驗證，通過(guò)路徑和流線(xiàn)分析研究了三維流場(chǎng)參數的變化規律，得到如下結論：

　　(1)研究發(fā)現，在穩定排放階段，安全閥喉部截面除了流道邊緣進(jìn)入超音速狀態(tài)之外，流道截面大部分氣體處于亞音速流態(tài)，并不像噴管理論預測的那樣整個(gè)喉部截面完全進(jìn)入超音速流動(dòng)。

　　(2)研究發(fā)現，安全閥密封面流道附近和反沖盤(pán)出口流道附近存在著(zhù)強烈的超音速流動(dòng)。數據分析表明，穩態(tài)開(kāi)啟過(guò)程中，整個(gè)密封面流道進(jìn)入了全面超音速狀態(tài)，這與傳統觀(guān)點(diǎn)的預計完全不同。而反沖盤(pán)出口位置只是部分出現超臨界狀態(tài)。

　　(3)數據分析表明，安全閥開(kāi)啟過(guò)程中，密封面(閥口)內外的氣體參數存在突變。氣體密度突變導致出口氣體劇烈膨脹，造成動(dòng)壓突變、速度劇增。

　　(4)瞬態(tài)開(kāi)啟過(guò)程模擬結果與瞬態(tài)開(kāi)啟試驗結果十分吻合，進(jìn)一步證明瞬態(tài)過(guò)程模擬結果的正確性。