安全閥升力曲線(xiàn)的數值模擬與試驗研究

　　通過(guò)建立安全閥內部流道三維模型，利用ANSYS CFX 進(jìn)行有限元仿真分析，模擬出安全閥在整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中閥瓣所受升力的變化，確定其升力特性曲線(xiàn)。設計一種利用位移傳感器和加速度傳感器測量安全閥升力的試驗方法，將試驗結果與仿真分析結果相互驗證，最終確定仿真分析結果的偏差值，從而指導安全閥的設計與優(yōu)化。

1、概述

　　安全閥作為一種自動(dòng)閥門(mén)，是各類(lèi)鍋爐、壓力容器和壓力管道等設備不可缺少的安全附件，起到超壓保護作用，其廣泛應用在石油、化工和電站等行業(yè)。彈簧直接載荷式安全閥是目前應用最廣泛的一種安全閥，該結構安全閥利用彈簧力實(shí)現閥門(mén)的密封與回座。安全閥升力與彈簧力之間的關(guān)系是影響彈簧直接載荷式安全閥啟閉和密封等性能的重要因素。因此，安全閥的升力特性成為其基礎技術(shù)研究的重點(diǎn)。

　　本文利用有限元仿真分析軟件ANSYS CFX 對安全閥內部流體模型進(jìn)行仿真分析，模擬安全閥開(kāi)啟過(guò)程中閥瓣所受升力變化，并進(jìn)行試驗驗證，通過(guò)對比，最終確定安全閥升力曲線(xiàn)的數值模擬分析方法。

2、仿真分析

　　2.1、物理模型

　　將安全閥開(kāi)啟分為10 個(gè)過(guò)程，在各個(gè)過(guò)程的開(kāi)度下分別建立安全閥內部流道的三維模型，由于安全閥成對稱(chēng)分布，取半拋模型進(jìn)行分析( 圖1) 。

　　2.2、控制方程

　　閥門(mén)內部的高溫高壓過(guò)熱蒸汽流動(dòng)為三維湍流可壓縮流動(dòng)，其通用控制方程為

　　2.3、求解方法和邊界條件

　　本文采用有限元體積法利用耦合求解器對控制方程進(jìn)行求解，離散格式為二階。網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，在流道的細小結構處以及閥瓣位置進(jìn)行網(wǎng)格細化處理，建立4 層壁面邊界，安全閥流場(chǎng)網(wǎng)格如圖2 所示。

表1 通用變量、擴散系數與源項的表達式

圖2 流程模型網(wǎng)格

　　安全閥內的介質(zhì)為過(guò)熱蒸汽，選取Steam5 介質(zhì)模型。由于需考慮流體動(dòng)能帶來(lái)的熱量變化，因此選擇適合高速流體及可壓縮流體的“Total Energy”熱傳遞模型。然后根據工況，定義安全閥入口的壓力和溫度值，以及出口的壓力值，最終求解出安全閥內部流體特性。

　　2.4、求解結果

　　以安全閥起跳到行程9 mm 為例，提取安全閥內介質(zhì)流動(dòng)情況( 圖3) 和對稱(chēng)面的壓力變化情況( 圖4) 。

圖3 對稱(chēng)面流速云圖

圖4 對稱(chēng)面總壓云圖

　　根據分析數據與試驗數據的對比情況得出其原因。

　　(1) 仿真分析對安全閥內介質(zhì)與閥門(mén)之間的摩擦系數不能很好的確定，使仿真分析值偏大。

　　(2) 安全閥閥瓣后部有背壓，仿真分析時(shí)不能很精確的模擬出來(lái)，使仿真分析值偏大。

　　(3) 閥瓣動(dòng)作時(shí)，閥瓣套筒與導向套之間有摩擦，使試驗測得閥瓣升力偏小。

3、結語(yǔ)

　　根據模型仿真分析結果可以得出建立安全閥流道三維模型，利用ANSYS CFX 數值模擬的方式分析出的閥瓣升力曲線(xiàn)，通過(guò)對比試驗數據，證明仿真分析所得數據準確度較高。在安全閥的設計中可以使用有限元數值模擬的方法計算安全閥起跳過(guò)程中升力的變化情況，可以根據其結果對安全閥進(jìn)行優(yōu)化。為了更為準確的計算出閥瓣升力值，可以將分析值乘以90%作為最終的模擬值。