減壓器關(guān)閉過(guò)程內(nèi)部流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)仿真和特性分析

鄭 麗 ，李清廉，羅澤明，沈赤兵

（1.國(guó)防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073；2.海軍飛行學(xué)院，遼寧葫蘆島 125001）

減壓器關(guān)閉過(guò)程內(nèi)部流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)仿真和特性分析

鄭 麗1,2，李清廉1，羅澤明2，沈赤兵1

（1.國(guó)防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073；2.海軍飛行學(xué)院，遼寧葫蘆島 125001）

針對(duì)自主研制的大流量減壓器，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和流固耦合仿真技術(shù)，將氣體的流動(dòng)和活動(dòng)組件的運(yùn)動(dòng)耦合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)閉過(guò)程中內(nèi)部流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)仿真，描述了關(guān)閉過(guò)程減壓器內(nèi)壓力和速度變化過(guò)程，掌握了流場(chǎng)中波系、回流區(qū)的演化情況。同時(shí)，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)中不同位置參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了監(jiān)測(cè)點(diǎn)各參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，以及流量和開度的實(shí)時(shí)變化情況，研究了基于動(dòng)態(tài)流場(chǎng)的關(guān)閉過(guò)程動(dòng)態(tài)特性，揭示了影響動(dòng)態(tài)特性的內(nèi)在因素。

減壓器；內(nèi)流場(chǎng)；動(dòng)態(tài)特性；數(shù)值仿真

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD—Computational Fluid Dynamics）的發(fā)展，利用CFD方法對(duì)閥門內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真[1-8]，以實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)的可視化，在很多方面得到了廣泛應(yīng)用。減壓器作為1種調(diào)壓閥，在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其內(nèi)部流動(dòng)是1個(gè)典型的流固耦合問題，目前還未見對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)的研究。文獻(xiàn)[9]針對(duì)自主研制的大流量減壓器，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和流固耦合仿真技術(shù)對(duì)其開啟過(guò)程的內(nèi)部流場(chǎng)演化情況進(jìn)行仿真，并基于仿真結(jié)果進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性研究。

本文針對(duì)同一減壓器，采用相同方法研究了其關(guān)閉過(guò)程的流場(chǎng)演化情況，并分析了關(guān)閉過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。

1 工作原理和計(jì)算模型

1.1 工作原理

自主研制的減壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示。通入控制氣，控制腔E內(nèi)壓力增大，膜片4向上變形，通過(guò)頂桿3使閥芯1開啟，減壓器開始工作，輸出流量。

1.2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

在假設(shè)工質(zhì)氧氣為可壓縮的理想氣體，減壓器節(jié)流邊和內(nèi)壁具有尖銳的棱邊，且根據(jù)節(jié)流面積對(duì)非對(duì)稱部件進(jìn)行面積折算的基礎(chǔ)上，建立了其2維簡(jiǎn)化軸對(duì)稱模型。根據(jù)減壓器工作過(guò)程，以減壓器—管道—聲速噴嘴的內(nèi)流道為仿真計(jì)算域，如圖2所示。由于減壓器的閥芯和膜片是運(yùn)動(dòng)的，故在其運(yùn)動(dòng)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格即在閥芯與閥座之間設(shè)有節(jié)流處、阻尼腔、控制腔；在其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，且進(jìn)行了加密處理。

1.3 控制方程和定解條件

仿真采用k-ε模型。初始條件由計(jì)算條件決定。壁面邊界條件為無(wú)滑移、絕熱壁面，減壓器入口、控制氣入口均采用壓力入口條件，聲速噴嘴出口采用壓力出口條件，出口反壓為大氣壓。

2 關(guān)閉過(guò)程流場(chǎng)演化

本文研究的減壓器的工作過(guò)程分為充填、開啟、穩(wěn)定和關(guān)閉4個(gè)過(guò)程。關(guān)閉過(guò)程作為其中的1個(gè)階段，計(jì)算的初始條件是在一定邊界條件下的穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)。仿真的邊界條件為：減壓器入口p1=15MPa，控制氣入口pc=5MPa，下游閥門在t=1s關(guān)閉，在此基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)閉過(guò)程的流場(chǎng)進(jìn)行仿真，得到流場(chǎng)的變化規(guī)律。

關(guān)閉瞬間即t=1s時(shí)，減壓器開度為h=0.0038m，流量為m˙=22.03kg/s，減壓器內(nèi)部流場(chǎng)為穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)，其壓力和速度分布及流線如圖3所示。從圖中可見，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，在閥座拐點(diǎn)處有膨脹波，在閥芯底部有一高壓堆積區(qū)；在減壓器軸線處氣流產(chǎn)生激波串；在出口腔內(nèi)氣體存在2個(gè)回流區(qū)，1個(gè)在閥座后，另1個(gè)在出口腔內(nèi)。

關(guān)閉過(guò)程出口腔流場(chǎng)的壓力變化如圖4所示。從圖中可見，在下游閥門關(guān)閉后很短的1段時(shí)間內(nèi)，氣體在管道內(nèi)形成小回流區(qū)，管道前壓力增大。這樣一來(lái)，氣體就會(huì)流入阻尼腔，使其壓力增大。由于在一段時(shí)間內(nèi)減壓器仍然未關(guān)閉，入口高壓氣體仍然流入出口腔，使得出口腔壓力繼續(xù)增大，促使氣體繼續(xù)通過(guò)阻尼孔流入阻尼腔。

氣體流入阻尼腔，使阻尼腔壓力增大。當(dāng)阻尼腔壓力增大到一定程度，在t=1.004325s時(shí)，減壓器即將關(guān)閉，開度為0。入口腔氣體不再進(jìn)入出口腔，已經(jīng)流入出口腔的氣體沿著軸線向底部流去，最后到達(dá)腔內(nèi)的大范圍回流區(qū)內(nèi)，隨回流區(qū)一起旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，在閥芯底部和出口腔底部及各拐角處的壓力堆積區(qū)的氣體也在壓差作用下往低壓區(qū)流動(dòng)，其范圍逐漸減小。當(dāng)t=2.2006781s時(shí)，其壓力與周圍壓力達(dá)到平衡。

關(guān)閉過(guò)程出口腔流場(chǎng)的速度變化如圖5所示。從圖中可見，在下游閥門關(guān)閉的初始時(shí)刻，閥芯處為超聲速流動(dòng)，隨著開度的減小和出口腔壓力的增大，氣流速度迅速降低；在減壓器關(guān)閉一段時(shí)間后，閥座后氣體的速度明顯降低，出口腔內(nèi)氣體在大的回流區(qū)的作用下，壓力逐漸均勻。氣體主要在腔體內(nèi)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)速度越來(lái)越低。到達(dá)t=1.999946 s時(shí)，出口腔氣體仍在運(yùn)動(dòng)，但最大速度已經(jīng)降為1.85m/s，之后經(jīng)過(guò)一段很長(zhǎng)的時(shí)間才能完全停止。

關(guān)閉過(guò)程出口腔流線如圖6所示。

在下游閥門關(guān)閉時(shí)，減壓器內(nèi)有2個(gè)回流區(qū)。由于閥座節(jié)流處的流速很大，拐點(diǎn)后的回流區(qū)較小，靠近壁面。在閥門關(guān)閉后，閥座拐點(diǎn)后的回流區(qū)越來(lái)越大，向軸線移動(dòng)。出口腔內(nèi)回流區(qū)一直存在。

3 關(guān)閉過(guò)程動(dòng)態(tài)特性分析

在對(duì)關(guān)閉過(guò)程流場(chǎng)演化進(jìn)行仿真的同時(shí)，選取了流場(chǎng)中一些點(diǎn)對(duì)流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)在關(guān)閉過(guò)程中各參數(shù)變化情況。本文選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)見文獻(xiàn)[9]。

關(guān)閉過(guò)程減壓器開度的變化曲線如圖7所示，出口腔、阻尼腔和控制腔平均壓力曲線如圖8所示。在減壓器關(guān)閉過(guò)程中，閥芯開度呈線性規(guī)律逐漸減小，最后一直保持為0。阻尼腔壓力在關(guān)閉過(guò)程中呈增大趨勢(shì)至最后穩(wěn)定時(shí)保持不變，但比出口腔壓力變化滯后，這是因?yàn)樽枘峥椎拿娣e有限。出口腔壓力先增大再小幅減小，最后保持穩(wěn)定?？刂魄粔毫ο仍龃笤贉p小，最后保持在初始值。阻尼腔和出口腔壓力都大于初始值。

下游閥門關(guān)閉后，由于減壓器并不能馬上關(guān)閉，隨著管道內(nèi)和出口腔壓力的增大，氣體從阻尼孔流入阻尼腔，使阻尼腔壓力隨之增大，其增大速度明顯低于出口腔壓力增大速度。由于膜片面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于閥芯面積，因此作用在閥芯上的力減小，使得減壓器慢慢關(guān)閉；且隨著開度的減小，作用在閥芯上的力也減小，更加快了減壓器關(guān)閉的速度。在t=1.004325s時(shí)，開度為0，減壓器處于完全關(guān)閉狀態(tài)。此后閥芯上游的壓力對(duì)下游無(wú)任何影響，氣體只在出口腔和阻尼腔之間、控制腔和控制氣支路之間交換，最終出口腔和控制腔壓力相等，氣體停止交換。在此過(guò)程中，由于控制腔體積減小，壓力增大，大于控制氣壓力，氣體通過(guò)小孔沿控制氣支路往回流，最終控制腔壓力恢復(fù)到初始值。

關(guān)閉過(guò)程減壓器出口、阻尼孔和控制腔小孔的流量曲線如圖9所示。從圖中可見，減壓器下游閥門關(guān)閉后，減壓器出口的流量馬上減為0。在出口腔和阻尼腔發(fā)生氣體交換時(shí)，一直是氣體從出口腔流向阻尼腔，交換的氣體的量較小，與出口腔內(nèi)靠近阻尼孔處壓力不高有關(guān)。由于控制氣能自動(dòng)調(diào)節(jié)一直保持在設(shè)定的壓力 pc=5MPa，當(dāng)開度減小時(shí)控制腔體積減小壓力增大，控制腔氣體一直往控制氣支路上游流，持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間以后，最后又穩(wěn)定為設(shè)定的控制氣壓力值。

關(guān)閉過(guò)程中出口腔內(nèi)不同點(diǎn)的壓力變化曲線如圖10所示。從圖中可見，關(guān)閉過(guò)程是出口腔氣體壓力趨于一致的過(guò)程。當(dāng)減壓器處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，出口腔內(nèi)上游壓力明顯高于下游壓力。在下游閥門關(guān)閉而減壓器未完全關(guān)閉之間，隨著開度的減小，出口腔內(nèi)各點(diǎn)壓力都增大。由于閥芯底部位置比較特殊，處于高壓堆積區(qū)，壓力本來(lái)就比其他點(diǎn)高很多。在下游閥門關(guān)閉的初始階段，通過(guò)閥芯流入的氣體的量還足夠大，而下游氣體由于滯止壓力增大，使得高壓區(qū)的氣體壓力增大。當(dāng)開度小到一定程度時(shí)，流過(guò)閥芯的氣體減少，在高壓區(qū)堆積的量也減少氣體在壓差作用下向下游流動(dòng)，壓力開始減小。當(dāng)減壓器完全關(guān)閉后，出口腔內(nèi)氣體在壓差的作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，壓力趨于平均。從監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化曲線看，這個(gè)混合達(dá)到平均的過(guò)程比較緩慢。

出口腔內(nèi)最大速度變化曲線如圖11所示。從圖中可見，關(guān)閉瞬間流場(chǎng)最大流速達(dá)到620m/s。在閥芯關(guān)閉過(guò)程中，流速迅速減小。當(dāng)減壓器的開度為0時(shí)，速度減小到100m/s。此后，由于氣體僅在出口腔和阻尼腔內(nèi)部小流量交換，出口腔內(nèi)速度減小的速度放慢。當(dāng)時(shí)，最大速度已經(jīng)減為1.85m/s，驗(yàn)證了上文中流場(chǎng)速度變化率越來(lái)越小的結(jié)論。

4 結(jié)論

采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和流固耦合仿真技術(shù)，進(jìn)行了關(guān)閉過(guò)程減壓器內(nèi)部流場(chǎng)的演化過(guò)程和動(dòng)態(tài)特性研究，得到以下結(jié)論：下游閥門關(guān)閉后，在減壓器逐漸關(guān)閉的過(guò)程中，減壓器出口腔內(nèi)流場(chǎng)發(fā)生了很大變化，在閥芯和出口腔軸線處的波系逐漸消失，在閥芯后和出口腔內(nèi)的回流區(qū)的位置和速度都發(fā)生了變化；氣體在出口腔和阻尼腔之間交換，且出口腔內(nèi)氣流速度越來(lái)越小。

[1]王林祥，陳鷹，路甫祥.液壓閥道內(nèi)的三維流體流動(dòng)的數(shù)值分析[J].中國(guó)機(jī)械工程，1999，13（1）：127-129.

[2]高殿榮.液壓技術(shù)中復(fù)雜流道流場(chǎng)的數(shù)值模擬和可視化研究[D].河北：燕山大學(xué)，2001.

[3]Shipman J,Hosangadi A,Ahuja V.Unsteady analyses of valve systems in rocket engine testing environments [R].AIAA-2004-3663.

[4]Cavallo P A,Hosangadi A,Ahuja V.Transient simulations of valve motion in cryogenic systems[R].AIAA-2005-5152.

[5]Salvador G P,Valverde J A.Three-dimensional control valve with complex geometry:CFD modeling and experimental validation[R].AIAA-2004-2422.

[6]Ahuja V,Hosangadi A,CavalloP A.Analyses oftransient events in complexvalve and feed systems[R].AIAA-2005-4549.

[7]李哲，魏志軍，張平.固體燃?xì)庹{(diào)壓閥內(nèi)流場(chǎng)冷氣模擬[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2006，26（2）：1183-1186.

[8]李哲，魏志軍，張平.燃?xì)庹{(diào)壓閥內(nèi)流場(chǎng)三維數(shù)值模擬[J].固體火箭技術(shù)，2007，30（7）：210-213.

[9]鄭麗，李清廉，羅澤明，等.減壓器開啟過(guò)程內(nèi)部流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)仿真和特性研究[J].火箭推進(jìn)，2009，35（1）：36-40.

Dynamic Simulation and Characteristics Analysis of Pressure Reducing Valve Internal Flow Field During Closing Process

ZHENG Li1,2,LI Qing-lian1,LUO Ze-ming2,SHEN Chi-bing1
（1.Institute of Aerospace and Material Engineering,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China;2.Naval Flying Academy,Huludao,Liaoning 125001,China）

Taking advantage of the dynamic mesh and fluid-solid coupling simulation technique,coupling the internal flow field and movement of the valve core,dynamic simulation of the internal flow field in closing process was achieved for independent research and development large flux pressure reducing valve.The changing process of the internal pressure and velocity of pressure reducing valve were described in the closing process.The evolution of wave system and reversed-flow region were obtained.The variety of parameters along with the time,and the real-time variety of the flow and the opening were analysed through monitoring different positions.The dynamic characteristics based on dynamic flow field closing process was studied.The inner factors effecting the dynamic characteristics were revealed.

pressure reducing valve;internal flow field;dynamic characteristics;numerical simulation

鄭麗（1982），女，講師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)推進(jìn)技術(shù)。