開展了安全閥流場數(shù)值模擬的理論研究，獲得了安全閥排放時的內(nèi)部壓力分布圖以及速度矢量圖，計算了安全閥在不同入口壓力下的排量值，測試了在不同入口壓力下閥門的排量，分析了計算數(shù)據(jù)和試驗結(jié)果的差異，證明了數(shù)值模擬方法可以有效地模擬安全閥內(nèi)部的流動情況。

1、概述

　　安全閥是各類承壓設(shè)備不可缺少的安全附件，對于保障設(shè)備正常運行和安全生產(chǎn)具有重要的作用。安全閥內(nèi)部流場的速度、壓力和溫度的分布對安全閥性能影響很大，了解閥門內(nèi)部的各種物理場分布，可以更好的設(shè)計安全閥。本文通過數(shù)值模擬技術(shù)獲得了先導(dǎo)式安全閥排放過程中閥體內(nèi)部的流場、壓力和速度的分布，通過模擬計算的結(jié)果，指導(dǎo)安全閥的設(shè)計，以更快的速度獲得更加優(yōu)化的產(chǎn)品。

2、計算模型

　　2.1、求解域建模和網(wǎng)格劃分

　　安全閥的流場區(qū)域是從安全閥入口到出口，由閥體、閥座、閥瓣等零件所圍成的三維空間。為了減少計算量，對流場區(qū)域進行了簡化。①簡化固壁邊界，忽略了壁面上的一些小邊角及小空隙對流場的影響( 圖1) 。②整個流場區(qū)域從幾何形狀上看，相對于Y-Z 面是對稱的，所以假設(shè)整個流動狀態(tài)也是面對稱的。因此，計算域只取一半的流場空間區(qū)域。

圖1 簡化后的流腔模型

圖2 網(wǎng)格劃分

　　將計算實體導(dǎo)入劃分網(wǎng)格軟件( 圖2) 。由于流場區(qū)域比較復(fù)雜，因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

　　2.2、邊界條件

　　入口邊界采用壓力入口的總壓和總溫數(shù)值為安全閥入口壓力和溫度條件。出口邊界采用壓力出口的總壓和總溫數(shù)值為大氣壓力和環(huán)境溫度條件。壁面邊界因為是粘性流動所以采用壁面無滑移條件。對稱面邊界條件采用對稱平面內(nèi)法向速度為0 和所有變量的法向梯度為0。

　　2.3、內(nèi)部參數(shù)設(shè)置

　　將劃分好的網(wǎng)格文件導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件中，針對研究的流場，求解連續(xù)方程和動量方程。由于是湍流問題，建立了相應(yīng)的湍流模型。模型求解器選擇壓力基隱式求解，粘性模型選擇k - e 模型。流體介質(zhì)設(shè)置為空氣。

3、仿真及分析

　　迭代約200 次之后模型計算收斂。由壓力分布圖( 圖3 和圖4) 可以看出，在入口段，壓力幾乎沒有變化，在安全閥喉部，壓力急劇降低，在出口段，壓力的分布較不均勻，證明流體經(jīng)過喉部以后，在出口段流動已經(jīng)比較紊亂。從速度矢量圖( 圖5 和圖6) 也可以看出，流體經(jīng)過喉部以后，流體速度矢量的方向比較紊亂，有的地方甚至出現(xiàn)了旋渦。

圖3 壓力分布云圖

　　4、排量計算

　　安全閥理論排量計算方法都是基于理想當(dāng)量噴管的排量公式導(dǎo)出。安全閥的額定計算排量等于當(dāng)量理想噴管排量乘以一個小于1 的系數(shù)，即排量系數(shù)。對于某一特定的安全閥設(shè)計，需要通過排放量測定試驗，得到此類安全閥排量系數(shù)。安全閥的排量系數(shù)的大小取決于安全閥的結(jié)構(gòu)、流道部分的形狀、尺寸比例、密封面型式、閥瓣結(jié)構(gòu)以及閥門與流體接觸表面的粗糙度等因素。在閥座通道截面直徑不變的條件下，對安全閥排量系數(shù)影響最大的是閥瓣開啟高度、導(dǎo)向筋引起的流道截面縮小和閥座的形狀( 圓柱形或噴嘴形) 。

圖4 喉部壓力分布云圖

圖5 速度矢量圖

圖6 喉部速度矢量圖

　　大量的測試數(shù)據(jù)表明，對于流道結(jié)構(gòu)形狀具有幾何相似特點的同一系列或同一設(shè)計的安全閥，其排量系數(shù)基本上是一致的。安全閥的排量系數(shù)Kd為

　　由于排量試驗的成本較高，況且在高壓下的蒸汽排量試驗不具備條件。利用CFD 軟件進行部分模擬排量試驗，則可以節(jié)約試驗經(jīng)費，縮短產(chǎn)品的研制周期。在模擬計算的基礎(chǔ)上，通過對安全閥入口面或出口面進行速度積分，可以得到安全閥的質(zhì)量流量，即排量(表1) 。

表1 安全閥排量計算值

5、排量試驗

　　安全閥排量試驗按照GB/T 12242 的要求在試驗裝置上進行。試驗以空氣為介質(zhì)，背壓為大氣壓。空氣的體積排量通過二次儀表讀數(shù)，試驗誤差范圍為±2%。試驗中，分別在0.5、0.6、0.7MPa 三個壓力值下測定空氣的體積排量。將計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比(表2) ，可以看出，計算誤差約5%。

表2 安全閥排量試驗值

6、結(jié)語

　　在安全閥的產(chǎn)品研發(fā)中引入數(shù)值模擬的方法可以有效的模擬內(nèi)部的流動情況，并且根據(jù)數(shù)值模擬計算出的排量數(shù)值精確可靠，可以對安全閥的設(shè)計提供參考。