安全閥升力曲線的數(shù)值模擬與試驗研究

　　通過建立安全閥內(nèi)部流道三維模型，利用ANSYS CFX 進行有限元仿真分析，模擬出安全閥在整個動作過程中閥瓣所受升力的變化，確定其升力特性曲線。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(jié)果與仿真分析結(jié)果相互驗證，最終確定仿真分析結(jié)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閥門，是各類鍋爐、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(jié)構(gòu)安全閥利用彈簧力實現(xiàn)閥門的密封與回座。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。

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

2、仿真分析

　　2.1、物理模型

　　將安全閥開啟分為10 個過程，在各個過程的開度下分別建立安全閥內(nèi)部流道的三維模型，由于安全閥成對稱分布，取半拋模型進行分析( 圖1) 。

　　2.2、控制方程

　　閥門內(nèi)部的高溫高壓過熱蒸汽流動為三維湍流可壓縮流動，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(jié)構(gòu)處以及閥瓣位置進行網(wǎng)格細化處理，建立4 層壁面邊界，安全閥流場網(wǎng)格如圖2 所示。

表1 通用變量、擴散系數(shù)與源項的表達式

圖2 流程模型網(wǎng)格

　　安全閥內(nèi)的介質(zhì)為過熱蒸汽，選取Steam5 介質(zhì)模型。由于需考慮流體動能帶來的熱量變化，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(jù)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(nèi)部流體特性。

　　2.4、求解結(jié)果

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

圖3 對稱面流速云圖

圖4 對稱面總壓云圖

　　根據(jù)分析數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比情況得出其原因。

　　(1) 仿真分析對安全閥內(nèi)介質(zhì)與閥門之間的摩擦系數(shù)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，仿真分析時不能很精確的模擬出來，使仿真分析值偏大。

　　(3) 閥瓣動作時，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(jié)語

　　根據(jù)模型仿真分析結(jié)果可以得出建立安全閥流道三維模型，利用ANSYS CFX 數(shù)值模擬的方式分析出的閥瓣升力曲線，通過對比試驗數(shù)據(jù)，證明仿真分析所得數(shù)據(jù)準確度較高。在安全閥的設計中可以使用有限元數(shù)值模擬的方法計算安全閥起跳過程中升力的變化情況，可以根據(jù)其結(jié)果對安全閥進行優(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。