安全阀稳态泄放过程的瞬态模拟与试验验证

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)华南理工大学机械与汽车工程学院 作者:郭崇志

  该文采用瞬态模拟方法对开启过程的稳态泄放流动机理进行了研究,采用路径分析法和流线分析法研究了内部和外部泄放流道中流场参数的变化特点,对比了模型的相关参数在典型路径上的变化关系。分析了流动的跨音速发展和演化情况,进而说明了安全阀与传统喷管在超音速机理方面的异同。同时分析发现喉部并未如传统理论预期出现超音速流,而传统认为不会出现超音速流的阀口流场附近区域(密封面)和反冲盘出口却出现了全面超音速流。利用所开发的实验装置对开启过程参数进行了验证测试。模拟结果与测试数据的对比表明,三维瞬态模拟和实验数据非常吻合。

  安全阀在超压开启过程中,泄放流道中流态变化一直是人们关注的重点。前人关于这方面的研究大多基于实验实测和软件模拟两个方面。试验研究一般集中在安全阀性能参数测定等方面。康德拉契娃主要采用实验技术研究了全启式安全阀的开启机理,提出了基于实验的开高-升力-弹簧力曲线。美国学者Sallet采用了流量实验、流场显形、流场测量等方法来探讨安全阀的工作机理。邱晓来用实验测试了安全阀开启高度与排量系数之间的关系。O.Frommann和J.Cremers研究了泄放过程中的频跳及振荡,提出了修正的压力波动尺度算法。王泽清通过

  试验测定升力,整理得到了低和高背压下微启式弹簧安全阀升力曲线。周国发认为由于阀瓣流阻导致安全阀一般在亚临界状态工作。安全阀数值模拟研究一般是对安全阀流动区域建模,通过计算得出流场参数分布。目前有两种模拟和试验方法,一种是固定开高模拟和试验,另一种是瞬态开启模拟与试验。固定开高模拟的特点是将安全阀的阀芯固定到某个开启高度,使密封面内外流域连通,然后离散流域进行流场分析,其试验也遵循同一方式。瞬态模拟则不固定开高,利用动网格技术和瞬态动力学方程(CEL编程)来实现动态开启模拟,其试验也采用瞬态开启方式。这两种方法最重要的区别在于,瞬态分析和试验法充分考虑了开启过程的动态特性,尤其运动件和流体的惯性耦合效应。而固定开高模拟和试验法则忽略了开启过程中流体及开启部件惯性效应。BernhardFollmer在API标准系列安全阀参数评估研究中,利用3D模型固定开高方法计算可压缩流动,并将计算结果与试验数据进行了比较,结果很吻合。陈殿京采用固定开高法对两种湍流模型开启过程的3D稳态流场和特性进行了研究。骆辉采用CFX软件研究了3D安全阀模型在固定开高下的稳态流场及结构参数对稳态升力的影响。SongX.G利用3D模型的固定开高法,拟合了升力系数随开启高度变化的关系式。梁寒雨率先采用2D对称模型研究了安全阀瞬态开启过程阀口流场的数值求解技术,并进行了试验验证。

  SongX.G采用3D模型瞬态模拟了安全阀开启过程中压力、马赫数随时间变化,但没有试验验证。罗辉东和张清懿用2D瞬态模拟方法和试验分别对安全阀瞬态开启过程反冲效应和流量检测方法加以研究。朱寿林采用3D瞬态模型,利用路径分析法,研究了瞬态开启流场相关参数在典型路径上的变化规律,并进行了对比验证。戴芳芳研究了瞬态开启过程中3D模型反冲效应机理及其计算,并完成试验验证。

  从安全阀的结构及动作特性看,一般认为其流场参数的变化规律类似于喷管流动。然而,严格来说安全阀的实际结构和动作过程和喷管有所差别。本文以专利技术为基础,结合近年来的研究进展,采用动网格技术结合动态数据采集系统对超压开启流场机理开展研究,并进行瞬态开启试验验证。

1、三维数值模拟

  1.1、建立几何模型

  采用CFX的流固耦合方法建立流体域的计算模型,通过Pro/E给出三维1/2模型,如图1所示。

三维简化模型

图1 三维简化模型

结论

  本文采用CFX动网格技术对3D模型的瞬态开启过程进行了模拟分析和试验验证,通过路径和流线分析研究了三维流场参数的变化规律,得到如下结论:

  (1)研究发现,在稳定排放阶段,安全阀喉部截面除了流道边缘进入超音速状态之外,流道截面大部分气体处于亚音速流态,并不像喷管理论预测的那样整个喉部截面完全进入超音速流动。

  (2)研究发现,安全阀密封面流道附近和反冲盘出口流道附近存在着强烈的超音速流动。数据分析表明,稳态开启过程中,整个密封面流道进入了全面超音速状态,这与传统观点的预计完全不同。而反冲盘出口位置只是部分出现超临界状态。

  (3)数据分析表明,安全阀开启过程中,密封面(阀口)内外的气体参数存在突变。气体密度突变导致出口气体剧烈膨胀,造成动压突变、速度剧增。

  (4)瞬态开启过程模拟结果与瞬态开启试验结果十分吻合,进一步证明瞬态过程模拟结果的正确性。

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