安全閥穩(wěn)態(tài)泄放過(guò)程的瞬態(tài)模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證

　　該文采用瞬態(tài)模擬方法對(duì)開(kāi)啟過(guò)程的穩(wěn)態(tài)泄放流動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究，采用路徑分析法和流線分析法研究了內(nèi)部和外部泄放流道中流場(chǎng)參數(shù)的變化特點(diǎn)，對(duì)比了模型的相關(guān)參數(shù)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(tǒng)噴管在超音速機(jī)理方面的異同。同時(shí)分析發(fā)現(xiàn)喉部并未如傳統(tǒng)理論預(yù)期出現(xiàn)超音速流，而傳統(tǒng)認(rèn)為不會(huì)出現(xiàn)超音速流的閥口流場(chǎng)附近區(qū)域(密封面)和反沖盤出口卻出現(xiàn)了全面超音速流。利用所開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)開(kāi)啟過(guò)程參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。模擬結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比表明，三維瞬態(tài)模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yàn)實(shí)測(cè)和軟件模擬兩個(gè)方面。試驗(yàn)研究一般集中在安全閥性能參數(shù)測(cè)定等方面。康德拉契娃主要采用實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究了全啟式安全閥的開(kāi)啟機(jī)理，提出了基于實(shí)驗(yàn)的開(kāi)高-升力-彈簧力曲線。美國(guó)學(xué)者Sallet采用了流量實(shí)驗(yàn)、流場(chǎng)顯形、流場(chǎng)測(cè)量等方法來(lái)探討安全閥的工作機(jī)理。邱曉來(lái)用實(shí)驗(yàn)測(cè)試了安全閥開(kāi)啟高度與排量系數(shù)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(yàn)測(cè)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。周國(guó)發(fā)認(rèn)為由于閥瓣流阻導(dǎo)致安全閥一般在亞臨界狀態(tài)工作。安全閥數(shù)值模擬研究一般是對(duì)安全閥流動(dòng)區(qū)域建模，通過(guò)計(jì)算得出流場(chǎng)參數(shù)分布。目前有兩種模擬和試驗(yàn)方法，一種是固定開(kāi)高模擬和試驗(yàn)，另一種是瞬態(tài)開(kāi)啟模擬與試驗(yàn)。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(nèi)外流域連通，然后離散流域進(jìn)行流場(chǎng)分析，其試驗(yàn)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(xiàn)動(dòng)態(tài)開(kāi)啟模擬，其試驗(yàn)也采用瞬態(tài)開(kāi)啟方式。這兩種方法最重要的區(qū)別在于，瞬態(tài)分析和試驗(yàn)法充分考慮了開(kāi)啟過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性，尤其運(yùn)動(dòng)件和流體的慣性耦合效應(yīng)。而固定開(kāi)高模擬和試驗(yàn)法則忽略了開(kāi)啟過(guò)程中流體及開(kāi)啟部件慣性效應(yīng)。BernhardFollmer在API標(biāo)準(zhǔn)系列安全閥參數(shù)評(píng)估研究中，利用3D模型固定開(kāi)高方法計(jì)算可壓縮流動(dòng)，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果很吻合。陳殿京采用固定開(kāi)高法對(duì)兩種湍流模型開(kāi)啟過(guò)程的3D穩(wěn)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(wěn)態(tài)流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)穩(wěn)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(shù)隨開(kāi)啟高度變化的關(guān)系式。梁寒雨率先采用2D對(duì)稱模型研究了安全閥瞬態(tài)開(kāi)啟過(guò)程閥口流場(chǎng)的數(shù)值求解技術(shù)，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)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(shù)隨時(shí)間變化，但沒(méi)有試驗(yàn)驗(yàn)證。羅輝東和張清懿用2D瞬態(tài)模擬方法和試驗(yàn)分別對(duì)安全閥瞬態(tài)開(kāi)啟過(guò)程反沖效應(yīng)和流量檢測(cè)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(shù)在典型路徑上的變化規(guī)律，并進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。戴芳芳研究了瞬態(tài)開(kāi)啟過(guò)程中3D模型反沖效應(yīng)機(jī)理及其計(jì)算，并完成試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　從安全閥的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作特性看，一般認(rèn)為其流場(chǎng)參數(shù)的變化規(guī)律類似于噴管流動(dòng)。然而，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)安全閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)和動(dòng)作過(guò)程和噴管有所差別。本文以專利技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合近年來(lái)的研究進(jìn)展，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)超壓開(kāi)啟流場(chǎng)機(jī)理開(kāi)展研究，并進(jìn)行瞬態(tài)開(kāi)啟試驗(yàn)驗(yàn)證。

1、三維數(shù)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(jì)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(jié)論

　　本文采用CFX動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)3D模型的瞬態(tài)開(kāi)啟過(guò)程進(jìn)行了模擬分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)路徑和流線分析研究了三維流場(chǎng)參數(shù)的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

　　(1)研究發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)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(yù)測(cè)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(xiàn)，安全閥密封面流道附近和反沖盤出口流道附近存在著強(qiáng)烈的超音速流動(dòng)。數(shù)據(jù)分析表明，穩(wěn)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(tǒng)觀點(diǎn)的預(yù)計(jì)完全不同。而反沖盤出口位置只是部分出現(xiàn)超臨界狀態(tài)。

　　(3)數(shù)據(jù)分析表明，安全閥開(kāi)啟過(guò)程中，密封面(閥口)內(nèi)外的氣體參數(shù)存在突變。氣體密度突變導(dǎo)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(jié)果與瞬態(tài)開(kāi)啟試驗(yàn)結(jié)果十分吻合，進(jìn)一步證明瞬態(tài)過(guò)程模擬結(jié)果的正確性。