先导式安全阀流道结构对排放性能的影响

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航天动力研究所 作者:李晓峰

  分析了先导式安全阀流道结构几何参数对其排放性能的影响,并采用CFD 商业软件FLUENT 对先导阀主阀流场进行数值模拟,得出了先导式安全阀排放性能与流道结构的关系及其不同流道结构下流场的分布和排量系数的仿真曲线,为先导式安全阀排放性能的研究提供一定的理论依据。

  先导式安全阀是一种非直接作用式安全阀,由一个主阀和导阀组成,依靠导阀排出介质驱动或控制主阀开启。因特别适用于高背压、大流量、高压力和安装位置紧凑的场合,近年来,在石油、化工、电站、冶金和核电等领域应用越来越广泛,而排放性能是衡量安全阀性能的重要指标之一,因此开展先导式安全阀排放性能方面的研究具有重要意义。

  先导式安全阀流道结构由带有楔形窗口的导套与阀座、阀瓣和阀体组成( 图1) ,阀座与阀瓣间的开启高度、导套楔形窗口的几何尺寸均为影响排放性能的相关因素。排量系数是影响阀门排放性能的重要参数,但是由于实验条件的限制,对一些通径和排量较大的阀门,目前无法测出排量,因而也计算不出排量系数,无法预测阀门的流动特性和排放性能,给阀门的结构改进和性能提高带来了很大的不便。本文用Fluent 模拟计算流道不同流道结构下先导阀主阀的流场,得出排量系数的仿真曲线,预测先导式安全阀排放性能与阀座和阀瓣间的开启高度、导套楔形窗口的几何尺寸的关系,为先导式安全阀排放量的研究提供理论指导。

先导阀主阀结构及局部放大图

图1 先导阀主阀结构及局部放大图

数学模型

  气体在安全阀中的流动是可压缩的三维流动,对湍流的模拟采用了标准的k - ε 模型和相应的控制方程〔1〕。

实体建模与边界条件

  按照先导式安全阀结构选取由阀体、阀座、导套和阀瓣所围成的三维流道空间作为计算域,采用SOLIDWORKS 进行实体造型。由于流场呈对称分布,在边界条件中设置了对称面,以减少计算时间。进口及出口截面分别设置成压力进口和压力出口,出口压力设为大气压。壁面处理采用了壁面函数法。

  采用Solidworks 和Fluent 软件相结合模拟计算,得出在不同开启高度下,排量系数在h /d0≥0. 25 最大,因此排放性能在h /d0≥0. 25 最佳。还计算出先导式安全阀特有的导套楔形窗口结构对流动特性有影响,但是对排放性能几乎没有影响,这些结论预测了先导式安全阀排放性能与流道结构的关系,可为先导式安全阀排量的研究提供理论依据。

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