自適應(yīng)大流量安全閥閥腔氣蝕影響因素研究

高宇龍，姚麗英，張占東

(1.山西大同大學(xué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)中心，山西大同 037003；2.山西大同大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西大同 037003）

隨著我國煤炭高效開采技術(shù)的發(fā)展，煤礦綜采工作面的開采深度及工作面長(zhǎng)度不斷增加，埋深與工作面長(zhǎng)度的增大使礦壓顯現(xiàn)出現(xiàn)顯著變化，深井圍巖原生裂隙增多，這使得液壓支架在工作面承受的載荷逐漸增大[1]。安全閥作為液壓支架的主要控制元件，在煤礦井下綜采工作面有沖擊地壓和堅(jiān)硬難冒的特殊頂板條件時(shí)，對(duì)液壓支架能起到安全保護(hù)的作用。因此，提高安全閥的動(dòng)態(tài)性能及壽命是安全閥主要的研究?jī)?nèi)容[2]。

目前，對(duì)大流量安全閥的流暢分析及流固耦合研究主要是單作用閥，對(duì)兩級(jí)安全保護(hù)閥的研究較少。例如，宋宇寧[3]采用單向流進(jìn)行了雙級(jí)保護(hù)大流量安全閥的流暢分析及流固耦合分析，并未采取雙相流對(duì)安全閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的研究。因此，現(xiàn)主要針對(duì)自適應(yīng)大流量安全閥進(jìn)行流場(chǎng)分析及流固耦合分析。

1 自適應(yīng)大流量安全閥的仿真建模

1.1 三維建模

根據(jù)自適應(yīng)大流量安全閥的各零部件的結(jié)構(gòu)尺寸，建立三維實(shí)體模型，并利用ANSYS FLUENT 19.0軟件對(duì)其進(jìn)行流道抽取，然后對(duì)此模型進(jìn)行流體區(qū)域、固體結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)分析。裝配三維模型結(jié)構(gòu)如圖1；抽取的流道模型如圖2。

圖1 自適應(yīng)大流量安全閥裝配三維圖

圖2 流道模型圖

1.2 流道網(wǎng)格劃分

在ANSYS FLUENT19.0 軟件的Mesh 模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中Maximum thickness 設(shè)為0.6 mm。在Mesh 模塊中生成的兩級(jí)閥腔內(nèi)部流道模型網(wǎng)格劃分如圖3。

圖3 安全閥內(nèi)部流道模型網(wǎng)格劃分

2 流場(chǎng)仿真控制方程

自適應(yīng)大流量安全閥內(nèi)腔的流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)方程主要由質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程組成。質(zhì)量守恒方程在流體動(dòng)力學(xué)中也叫流體連續(xù)方程。為簡(jiǎn)化安全閥內(nèi)腔的流場(chǎng)仿真過程，不考慮流體密度變化；又因?yàn)榘踩y開啟過程中存在大量工作介質(zhì)，所以假設(shè)安全閥開啟過程中無熱交換，不考慮能量守恒方程。連續(xù)方程[4]為：

式中：ρ為流體的密度，取ρ=998 kg/m3；u、v、w為速度矢量，m/s；t為時(shí)間，s。

流體的動(dòng)量方程主要是分析流體運(yùn)動(dòng)過程中的沖擊力。動(dòng)量守恒方程[4]為：

式中：ui、uj為速度分量，m/s；σij為應(yīng)力分量，N；fi為在i方向上的分力，N。

流體動(dòng)力學(xué)中流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要有層流與湍流（許多文獻(xiàn)中湍流也稱為紊流）兩種運(yùn)動(dòng)形式。層流是指流體在流動(dòng)過程中兩層之間沒有相互混摻，而湍流則表示的是在流體運(yùn)動(dòng)過程中流體并不處于層流狀態(tài)，在多數(shù)的流體運(yùn)動(dòng)中常以湍流的運(yùn)動(dòng)形式存在。對(duì)于圓管內(nèi)的流動(dòng)形式是根據(jù)雷諾數(shù)的值來判斷：當(dāng)Re≤2 300時(shí)，管流一定為層流；當(dāng)Re≥8 000～12 000 時(shí)，管流一定為湍流。雷諾數(shù)的計(jì)算公式[5]為：

式中：v為流體速度，取15 m/s；d為流量當(dāng)量直徑，取一級(jí)普通錐閥的直徑（d=8 mm）；μ為流體的動(dòng)力黏度，一般取0.001Pa·s。

通過上述計(jì)算可得雷諾Re=120 000＞12 000，即自適應(yīng)大流量安全閥的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為湍流。選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-?模型，其方程[4]為：

式中：μ為動(dòng)力黏度；μt為湍動(dòng)黏性系數(shù)；σk、σ?分別為k、?方程的湍流Prandt1 數(shù)；Cμ、C1?、C2?為系數(shù)，一般取Cμ=0.09、C1?=1.44、C2?=1.92。

3 流場(chǎng)仿真設(shè)置

網(wǎng)格生成后對(duì)模型進(jìn)行條件設(shè)置。在Models模塊中，對(duì)內(nèi)流道工作介質(zhì)的流動(dòng)形式設(shè)為k-epsilon，而在k-epsilon Model 中選擇Realizable；Materials 中選擇流體工作介質(zhì)乳化液。定義計(jì)算域，然后進(jìn)行邊界條件設(shè)置，先將操作條件設(shè)置為1 atm，同時(shí)將Inlet 設(shè)為Pressure-inlet，值分別為兩級(jí)閥開啟的額定壓力；Outlet 選擇Pressure-outlet，壓力值設(shè)為0。

在進(jìn)行兩相流仿真時(shí)，將Water 作為主項(xiàng)，Vapor作為第二項(xiàng)，兩相的Phase interation 選擇氣旋（Cavitation）模型，邊界條件設(shè)置同上述流場(chǎng)分析。由于乳化液的物理性質(zhì)與水相近，故將乳化液的密度設(shè)置為992 kg/m3。最后進(jìn)行初始化、求解計(jì)算及后處理[6]。需要說明的是，此次主要進(jìn)行關(guān)于力的流場(chǎng)分析、流固耦合分析，不涉及任何關(guān)于熱學(xué)或者其他方面。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 一級(jí)錐閥與一級(jí)直動(dòng)閥流場(chǎng)對(duì)比分析

一級(jí)閥芯邊界條件中Pressure-inlet 設(shè)為45 MPa，一級(jí)錐閥閥芯開度在三維軟件中設(shè)為0.2 mm，一級(jí)直動(dòng)閥閥芯開度設(shè)置為1 mm。為了能夠更為直觀地看出內(nèi)流道工作介質(zhì)的變化情況，選擇一個(gè)XZ平面來進(jìn)行流場(chǎng)對(duì)比分析，其壓力、速度及氣體體積分?jǐn)?shù)云圖如圖4、5。

圖4 一級(jí)錐閥XZ平面開啟壓力、速度、氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

由圖4（a）可知，一級(jí)錐閥出液口至二級(jí)閥芯彈簧座之間的壓力值為-6.915 MPa，且是圖中壓力最小值，該區(qū)域是一級(jí)普通錐閥壓力損失最大的位置；由圖4（b）可知，從一級(jí)錐閥出口處顏色的深度來看，此處的流體速度較快，最高可達(dá)為200 m/s；由圖4（c）直觀看到一級(jí)閥芯流道內(nèi)部氣體含量較高的位置為錐閥出液口附近區(qū)域，該區(qū)域在一級(jí)錐閥開啟過程中發(fā)生氣旋的幾率較大，為提高安全閥的壽命，一級(jí)錐閥表面應(yīng)經(jīng)過耐磨及表面特殊處理。

由圖5 可知，一級(jí)直動(dòng)閥開啟后出液口處壓力最小值為-4.575 MPa，速度最大可達(dá)270 m/s。同一級(jí)錐閥對(duì)比分析可知，一級(jí)閥芯出液口區(qū)域液體最大速度及氣體體積分?jǐn)?shù)含量較高的面積都為一級(jí)直動(dòng)閥的大，發(fā)生氣穴的面積范圍大，對(duì)閥體的損害更嚴(yán)重。因此，一級(jí)閥芯優(yōu)化為錐閥發(fā)生氣蝕的位置分散，提高了安全閥一級(jí)閥芯的使用壽命。

圖5 一級(jí)直動(dòng)閥XZ平面開啟壓力、速度、氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

4.2 不同開度二級(jí)差動(dòng)閥芯流場(chǎng)分析

二級(jí)平面錐形差動(dòng)閥的流場(chǎng)仿真及兩相流模型下的氣體體積分?jǐn)?shù)仿真設(shè)置同一級(jí)閥芯。在三維軟件中設(shè)置二級(jí)閥芯的開度分別為1、2、3 mm，閥芯邊界條件中Pressure-inlet設(shè)置為50 MPa。將仿真結(jié)果以XZ平面截取得到的壓力及氣體體積分?jǐn)?shù)云圖如圖6。

圖6 二級(jí)閥芯不同開度XZ平面的壓力、氣體體積分?jǐn)?shù)云圖

通過圖6對(duì)比分析壓力云圖及氣體體積分?jǐn)?shù)云圖規(guī)律，二級(jí)閥芯開度從1 mm 至3 mm 的過程中，隨著二級(jí)閥芯開度的增大，二級(jí)閥芯開口處壓力值由負(fù)值變?yōu)檎登抑饾u增大，閥套上6個(gè)出液口壓力值也逐漸增大，閥芯密封處氣體體積分?jǐn)?shù)含量隨著閥芯開度的增大逐漸較少，最終氣體含量幾乎為零；6個(gè)出液口內(nèi)部氣體體積含量占比也逐漸減小，由于此區(qū)域的壓力梯度變化較大，較容易出現(xiàn)氣穴和氣蝕，同時(shí)在二級(jí)閥芯開口處存在結(jié)構(gòu)尺寸的突變，易伴隨旋渦的產(chǎn)生。如果氣穴和氣蝕長(zhǎng)時(shí)間的存在，很容易導(dǎo)致閥芯、閥體結(jié)構(gòu)局部受到很大的沖擊，加速閥體的損壞。因此，自適應(yīng)大流量安全閥閥芯及閥套在選擇材料時(shí)應(yīng)盡量具備高強(qiáng)度、耐腐蝕的特性。

5 結(jié)論

（1）自適應(yīng)大流量安全閥一級(jí)錐閥出液口處壓力損失最大，流體速度最高，氣體體積分?jǐn)?shù)含量最高，發(fā)生氣蝕的概率最大。為提高安全閥的壽命，需對(duì)一級(jí)錐閥表面進(jìn)行耐磨及表面特殊處理。

（2）一級(jí)直動(dòng)閥開啟后壓降梯度要比一級(jí)普通錐閥的大（即壓力損失大），一級(jí)閥芯出液口處一級(jí)直動(dòng)閥的流體最大速度大，一級(jí)直動(dòng)閥芯出液口處氣體體積分?jǐn)?shù)含量較高的區(qū)域面積大，一級(jí)直動(dòng)閥芯發(fā)生氣旋的面積范圍大，對(duì)閥體的損害更嚴(yán)重。因此，一級(jí)閥芯優(yōu)化為錐閥提高了安全閥一級(jí)閥芯的使用壽命。

（3）隨著二級(jí)閥芯開度的增大，二級(jí)閥芯開口處壓力值由負(fù)值變?yōu)檎登抑饾u在增大，閥套上6個(gè)出液口壓力值也逐漸在增大，閥芯密封處氣體體積分?jǐn)?shù)含量隨著閥芯開度的增大在逐漸較少。

（4）在理論研究方面，可為安全閥后續(xù)流場(chǎng)分析及材料選擇提供理論依據(jù)。