安全阀稳态泄放过程的瞬态模拟与试验验证

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安全阀在超压开启过程中，泄放流道中流态变化- 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-般集中在安全阀性能参数测定等方面〉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Salet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问的关系。O.From-mann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 J。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-般在亚临界状态工作。安全阀数值模拟研究- 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，-种是固定开高模拟和试验，另-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-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，尤其是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。Bernhard Folmer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 J。陈殿京采用固定开高法对两种湍流模型开启过程的3D稳态流惩特性进行了研究 。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嘲结构参数对稳态升力的影响。Song X.G lj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。

Song X.Gl1 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，研收稿 日期：2012-10-19作者简介：郭崇志(1956- )，男，吉林九台人，高级工程师 ，副教授。博士，主要从事过程装备 CAD/CAE技术和先进制造与检测技术的科研和教学工作。

2013年第4期 液压与气动 15而言，密度变化展示出内部气体状态(压缩和膨胀)，也预示局部压力的变化。由图3可见，开启过程密度在泄放流道不断变化，-般的规律是内部流道气体密度远大于外部流道的气体密度，因此，内部流道的气体受到很大程度的压缩，而外部流道气体则出现体积剧烈膨胀。由图3可知，开启时刻图 3a和回座时刻图3c，内外流道之问存在最大的密度差，而在稳定排放时刻图3b，内外流道的密度差变小，来流密度降低，但是在阀芯底面密度最高，显然这里存在很大的瞬时静压。

2.2 压 力 场图4是瞬态开启过程各特征时刻的静压云图。图4a～图4c分别表明三个典型时刻内外流道压力分布。

可知在开启.排放.回座过程中，对于内流道，最大静压总在人口阀道和阀芯下方；对于外流场，主泄放流道即反冲盘底面对应的泄放流道具有较高的静压，但此静压仍比内流场低很多-启过程阀芯(内流道)承受最大的上升压力，其次是反冲盘(外流道)；反冲盘承受的背压均比较校2.3 速度(Ma)场图5给出的Ma流线图说明位于内外流道交界区域的阀芯密封面接近外侧位置-直存在高速气体流动。图5a表明开启时刻此处的 Ma最大，说明这里的气体膨胀加速效应最强烈，类似于超音速喷管的扩张出口。图5b、图5c表明在稳定排放和回座时刻，最大Ma区域也出现在此处。值得注意的是，图 5还表明，在阀芯底面-直存在着-个相对流动的低速区。

3 结果路径分析3.1 内部流道路径分析.喉部流段 的流动机理1)同-整定压力不同时刻开启流场参数变化为确定临界流动截面出现的位置，在入口收缩段后面的喉部范围(30 mm)内，定义喉径顶部平面为 XZ面 ，在 l，i0，-5，-10，-30(i1，27)的 7个平面上，作直径方向相应的路径 Ni，如图6所示。图7～图9给出了路径 Ni上的参数变化∩见，开启-排放-回座整个过程中，任-路径上，各流动参数展示出的流动整体上基本对称。越是远离出口(密封面)，参数分布越是均匀。在路径 N2～N7范围，参数分布的对称性明显。微小的不对称主要体现在 N1～N2范围内，即靠近泄放口密封面 5 mm的喉部区间。由于出口的影响，路径 N1和 N2上靠近出口侧边缘的参数值产生巨变，同时流动产生某种不对称，说明出口管位置对泄放流场参数有很大影响。距离出口管越近，密度越低，压力越低，Ma越高，流速越高。

11l籁豫图6 阀座喉部路径分布- I：：：。 - -。 ，-N1-N5 1- /-N2-N6 - N3- N7 l- -N4 l专8星88O图7 相同路径不同时刻的密度变化- - N1 N5 。

- N2-N6 7：1： -N /：：- ：：图8 相同路径不同时刻的 Ma变化(1)密度 由图7可见各个特定时刻的密度变化规律是，在越接近泄放口(密封面)位置，密度越低 ，反之远离泄放口位置，不论是纵向还是横向，密度越高，16 液压与气动 2013年第4期图 9 相 同路径不 同时刻 的压力变化这说明压力梯度是沿着来流和入口管中心指向泄放口的。并且在众多路径中，只有最接近泄放出口管位置(N1路径)的流体密度具有最大的变化。

(2)Ma或速度 由图 8可见，各个特定时刻的Ma变化规律是，凡是流体密度低的地方，Ma-定高；凡是流体密度高的地方，Ma-定低。这说明在接近泄放口喉部位置，流体速度很高。具体而言，开启时刻，几乎全部流域处于亚临界状态，只有最接近密封面的流体进入了超音速状态。在稳定排放时刻，超临界流动的起始位置仍然位于喉部出口截面且接近泄放 口(密封面)的位置，绝大部分喉部区域仍处于亚临界状态。回座时刻，整个流域重新回到亚临界状态。

(3)静压 对照图 7和图 8，观察图9，可以发现静压的变化规律是，凡是密度低的地方静压低 (Ma高)，凡是密度高的地方静压高(Ma低)，这与物理常识完全吻合。

上述分析说明，在开启过程的各个阶段，泄放流体的临界状态是动态变化的，传统理论认为安全阀在全开启时，或进出口压力比达到临界压力比时，-般在喉径最胸面处发生临界流动。上述典型时刻的分析表明，在稳定排放时刻，喉部最胸面流速并没有出现音速面，只是在靠近密封面的极其狭小范围出现了超临界流动。

2)相同路径不同整定压力对 Ma的影响为进-步研究喉部临界流与整定压力的关系，取最容易出现临界流的位置路径 N1、N2、N3，给出整定压力分别为 0.7、0.8、0.9、1.0 MPa时，稳定排放的 Ma对比曲线，如图10～图 12所示。由此可见：(1)任-路径的 Ma都随整定压力升高而增大，换言之，整定压力越大，流体越易进入临界流动；反之，整定压力越低，就越难以进入临界流动。

(2)相同的路径，越接近密封面的位置，Ma的数值越大。喉部顶部区域的 Ma曲线呈现中间低两边高的形态，意味着路径的边缘区域容易进入临界流动。

(3)在所论及的三条位于喉部出口范围的路径上，Ma只在最接近喉部出口边缘区域的 Ni路径达到大于 1状态，即临界状态只出现在喉部顶截面边缘局部范围，整个截面并没有全面进入超临界流动状态。

图 1O 路径 N1的 Ma对比- 20-15-10-5 0 5 10 15 2OXmm图 11 路径 N2的 Ma对比U.，M ra. 0.8MPa- -0.9MPa 十 1.OMPa. ，" - 20-15-10-5 0 5 10 15 2Oxmm图 12 路径 N3的 Ma对比3.3 内外流道路径分析.泄放流道的流动机理为研究安全阀内外泄放通道密封面附近的流动情况，取稳定排放阶段t200 ms(阀芯全启)时刻，取 Yi 0，3，5，7，9(i1，25)的5条直线，作水平方向相应的路径 Hi，如图13所示。

(1)密度 图 14a给出了Hi上密度的分布情况，其变化规律是：整个流线上密度分布几乎完全对称，基本不受出口管方位的影响；路径两端密度较小，路径中部密度较大，密度的剧烈变化出现在泄放口(密封面)位置，具有突变性质且最小密度出现在密封面外侧位2013年第4期 液压与气动 17/ ～ / l f l， l 、、.1I u 1 l- I-xf f。 l l图 13 稳足排放阶段不I司路径示意 图置；密度从泄放 口内到外的剧烈变化，显示气体通过泄放 口出现体积急剧膨胀。在反冲盘流道中，密度回升，但是在反冲盘出口，密度有所下降。

(2)Ma 图14b为路径 Hi上 Ma的分布，其变化规律是：在密封面外侧 (最低密度附近)，Ma急剧增高，图中显示流体在 1区(内部流道)末端，2区(密封面流道全部)以及反冲盘与调节圈形成的流道大部分，都入了超临界流动。除此之外 ，在反冲盘出口位置的也达到超临界状态；值得注意的是，这些达到超临界流动的区域，密度都具有较低的数值。这说明气体剧烈膨胀与速度的剧烈增加有关。

(3)压力 图14e和图 14d分别给出了静压和总压的分布。总压与静压的差值代表路径上的动压，表示流体的局部流速变化，由此可以看出压力和速度的变化规律：任何路径上静压都是连续的，而总压在泄放流道密封面附近出现跳跃式变化；从密封面内侧到外侧，压力突变的趋势是，静压急剧下降，总压突升，这说明动压存在剧烈突变，从而流速出现剧烈增长，导致泄放口存在极高流速(动能)。

； · !--HI0.01m《B； H3 005m j-8： H40 007m X/ma)密度2 -.-5.：X/mb)马赫数04 .0.02 0.00X/m X/mC)静压 d)总压图l4 全启后稳定排放时刻不同路径参数变化4 试验验证实验采用 A48Y-16C DN50型全启式弹簧安全阀，测试数据在安全阀的全开启排放试验中利用动态数据笸 l ! .l l f广]障10m3 IJ 7-21 1 Im电动阀液动阀 甲压力表 主 管道 Ji闻 - l!同时，阀芯传感器阀瓣下面采集的平均压力随时间变化的实验测试数据曲线与瞬态开启过程数值模拟对应时。00 lO0 200 300400 500600 0 100 200 300400 500600时间/s 时间/sa)p姒O.7 MPa b)Pset0.82 MPa图 16 阀瓣下方平均压力随时间的变化对比图从实验数据与模拟数据对比可见，在开启后的稳定排放阶段，模拟数据与测试数据都相当吻合。这说明利用动网格技术研究瞬态开启问题，所获得的安全阀瞬态开启流场的数值模拟结果与实测数据是很吻合的。实验与模拟出现的偏差主要出现在开启初期和开启后的波动情况方面。

4.2 检测元件采集数据及对 比这种测试技术通过在人口安装检测元件进行局部压力动态数据采集。E点主要采集喉部(即阀芯底面滞止区)压力(参见图 1)。在整定压力P 0.72 MPa和 0.8 MPa下的 E点 压力随时间变化实测曲线如图 17所示。为了比较，图中同时给出了瞬态开启过程E点的模拟数据。由图可见，两种工况下内部流道的3D数值模拟结果与检测元件试验测得的平均压力数液压与气动 2013年第 4期据十分吻合，误差在 5%以内。

啊星时间/sa)P 。to.72 MPa0 10O 200 300400 500600时间/sb)Pset0.8 MPa图 17 监测点 E的数据 比较 图5 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-步证 明瞬态过程模拟结果 的正确性