大口徑輪盤式特種調(diào)節(jié)閥流動特性分析

趙彥賓，張健平，張松，但志宏，王曦，鄧堯

(1.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院制造過程測試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621010；2.中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)有限公司四川燃?xì)鉁u輪研究院，四川綿陽 621703；3.中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)有限公司四川燃?xì)鉁u輪研究院高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川綿陽 621703；4.北京航空航天大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，北京 100191；5.先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100191)

0 前言

航空發(fā)動機(jī)高空模擬試驗(yàn)臺(簡稱高空臺)是用來模擬航空發(fā)動機(jī)在高空中不同高度下不同工作狀態(tài)的試驗(yàn)設(shè)備。想要研制出世界領(lǐng)先水平的航空發(fā)動機(jī)，必然得先擁有一個(gè)屬于我們國家自己的高空臺[1]。大口徑特種閥是高空臺的一個(gè)主要調(diào)節(jié)閥，其主要功能是保證進(jìn)氣系統(tǒng)的溫度和壓力及時(shí)達(dá)到發(fā)動機(jī)飛行環(huán)境所對應(yīng)的溫度和壓力[2-3]。然而，該大口徑特種閥引自俄羅斯，有關(guān)大口徑特種閥的流動特性資料缺乏[4-5]，很難準(zhǔn)確地描述流量與溫度和壓力的變化規(guī)律，致使在高空臺模擬試驗(yàn)過程中，特種閥調(diào)節(jié)控制進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力和溫度精度不高，其結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異，最大誤差可達(dá)15%。因此，許多研究人員針對大口徑特種閥流動特性和流量特性進(jìn)行了大量的研究。裴希同等[3]分析大口徑特種閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)學(xué)模型之后，提出了一種經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)現(xiàn)了流量系數(shù)的快速迭代計(jì)算。朱美印等[6]結(jié)合少部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過去噪后獲得了特種閥流量系數(shù)對角分布稀疏數(shù)據(jù)表，建立了特種閥流量特性的數(shù)學(xué)模型，降低了流量系數(shù)誤差。繆柯強(qiáng)等[7]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正特種閥流量特性的方法，修正獲得了流量特性模型。以上特種閥流量特性是基于少部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過理論計(jì)算分析對原有的流量系數(shù)進(jìn)行修正，其研究結(jié)果為進(jìn)行一步研究提供了非常有價(jià)值的理論基礎(chǔ)，可是由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限性和特種閥結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，還需進(jìn)一步探索特種閥內(nèi)部流動特性，以進(jìn)一步完善特種閥流量特性變化規(guī)律。

大部分研究人員通過數(shù)值模擬的方法研究調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動特性。何慶中等[8]利用CFX軟件數(shù)值模擬分析了蝶閥流動特性，發(fā)現(xiàn)開度為5%～30%時(shí)，閥門下游會出現(xiàn)強(qiáng)烈的渦街現(xiàn)象，基于此優(yōu)化設(shè)計(jì)了蝶板結(jié)構(gòu)。ZHOU等[9]利用計(jì)算流體動力學(xué)方法簡單準(zhǔn)確地評估了蝶閥的流量系數(shù)，建立了流動特性模型。NAVEEN等[10]通過CFD分析了雷諾數(shù)、閥門開度對傳統(tǒng)蝶閥流動特性的影響，對壓力損失系數(shù)進(jìn)行了評估。馮衛(wèi)民等[11]通過Fluent軟件分析了雙偏心蝶閥、單偏心蝶閥、桁架式蝶閥和龜背式蝶閥的流動特性，揭示了不同蝶閥的過流特性。許洪斌等[12]利用CFD方法模擬分析了滑板式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場特性，獲得了不同開度下壓力和速度分布，預(yù)測了閥門出現(xiàn)空化現(xiàn)象的位置。張松等人[13]通過對蝶閥進(jìn)行運(yùn)動特性理論分析和流動特性的數(shù)值模擬仿真研究，準(zhǔn)確描述了蝶閥內(nèi)部流場特性。張賢等人[14]運(yùn)用Fluent軟件對迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場進(jìn)行了模擬分析，推測出閥內(nèi)低頻段的速度波動是導(dǎo)致閥內(nèi)噪聲和流致振動的重要原因。陶國慶等[15]利用CFD方法模擬分析了迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場特性，獲得了壓力和速度分布規(guī)律，揭示了流量特性。王偉波等[16]運(yùn)用Fluent仿真軟件對不同開度下的套筒調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，得到了流量特性曲線，與其理論高度吻合。馬光飛等[17]運(yùn)用Fluent軟件對球閥進(jìn)行了模擬分析，得到了球體間隙對于球閥性能和內(nèi)部流動特性的影響。

綜上所述可知，由于試驗(yàn)條件和成本的限制，研究人員主要基于少部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合理論分析修正了特種閥流量系數(shù)模型，除此之外通過數(shù)值模擬方法分析其他各種調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動特性，但沒有詳細(xì)研究特種閥內(nèi)部流動特性的研究結(jié)果。因此，本文作者擬采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，分析特種閥內(nèi)部流動特性，綜合考慮特種閥的結(jié)構(gòu)特性和閥門前后管道特性，揭示壓比和開度對閥內(nèi)壓力、速度的影響規(guī)律，為特種閥的工程應(yīng)用提供理論依據(jù)，也為航空發(fā)動機(jī)高空模擬試車臺提供準(zhǔn)確的特種閥流量特性模型。

1 數(shù)值計(jì)算模型

1.1 物理模型與網(wǎng)格

1.1.1 物理模型

文中研究對象是DN2000的大口徑特種閥，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出：特種閥由前殼體、中間殼體和后殼體三部分組成。其中前殼體由二級、四級和八級閥瓣盤組成；中間殼體是一個(gè)固定圓盤，圓盤被平均分成32等份，每一份所占角度為11.25°，其中16份為流體通過區(qū)域；后殼體由無級調(diào)節(jié)盤組成。特種閥前殼體二級、四級和八級閥瓣盤之間開關(guān)組合可以使無級盤具有多種調(diào)節(jié)能力，既可以實(shí)現(xiàn)小流量下的精確調(diào)節(jié)，又可以實(shí)現(xiàn)大流量下的快速調(diào)節(jié)，其中二級、四級和八級閥瓣盤處于全開狀態(tài)時(shí)，無級盤調(diào)節(jié)的流通面積才能達(dá)到100%，因此，文中針對前殼體3個(gè)閥瓣處于全開狀態(tài)，轉(zhuǎn)動無級調(diào)節(jié)盤對特種閥的開啟進(jìn)行研究。無級調(diào)節(jié)盤開度與其轉(zhuǎn)動角度關(guān)系如式(1)所示，其中90°為全開對應(yīng)于無級調(diào)節(jié)盤轉(zhuǎn)動角度11.25°。

圖1 特種閥的結(jié)構(gòu)示意

(1)

式中：α為無級調(diào)節(jié)盤轉(zhuǎn)的角度，(°)；Vp為特種閥的開度，(°)。

1.1.2 網(wǎng)格劃分

為了提高數(shù)值模擬分析的網(wǎng)格質(zhì)量，對實(shí)際閥瓣內(nèi)部腔道進(jìn)行合理簡化，去除閥瓣結(jié)構(gòu)中幾何尺寸較小且數(shù)值模擬精度無影響但會影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量的細(xì)節(jié)特性，比如倒角、凹槽、螺栓孔、墊片等，得到簡化后的特種閥物理模型。

如圖2(a)所示。根據(jù)GB/T 17213.9—2005《工業(yè)過程控制閥第2-3部分：流通能力試驗(yàn)程序》，文中整個(gè)流體域包括閥前2D(D為特種閥管道通徑)長的管道、特種閥和閥后6D長的管道，如圖2(b)所示。

圖2 特種閥內(nèi)流道簡化模型(a)和流體域(b)

文中選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對特種閥進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中在細(xì)化轉(zhuǎn)角處和狹縫部位使用高級尺寸功能對網(wǎng)格進(jìn)一步改進(jìn)。為保證模擬的計(jì)算精度及速度，對特種閥閥腔內(nèi)部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域用局部設(shè)置進(jìn)行加密處理，其余部分保持全局設(shè)置不變。限于篇幅，此處僅展示了開度為50°的特種閥流體域內(nèi)的網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖3所示。

圖3 特種閥的網(wǎng)格劃分

通過網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后，最終確定全局尺寸設(shè)定為100 mm，特種閥各開度網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)如表1所示。

表1 網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 基本方程

在特種閥流動特性分析過程中，工質(zhì)空氣是可壓縮的理想氣體。采用氣體狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程等控制方程描述流體，方程[18]如下：

pV=RgT

(2)

(3)

(4)

式中：p為絕對壓力，Pa；Rg為氣體常數(shù)，值為0.287 06 kJ/(kg·K)；T為絕對溫度，K；V為氣體的比體積，m3/kg；ρ為流體的密度，kg/m3；u為流體的速度矢量，m/s；F是作用在單位體積流體上的質(zhì)量力，N/m3。

1.2.2 Standardκ-ε湍流模型

由于Standardκ-ε具有高精度且簡單有效的特性，所以將其應(yīng)用于特種閥的數(shù)值模擬中，并且在模擬過程中流體的速度將會達(dá)到超音速，使得雷諾數(shù)遠(yuǎn)超2 000，所以在特種閥的數(shù)值模擬中還應(yīng)考慮湍流的影響。Standardκ-ε模型[19]為

(5)

(6)

式中：Gb是由平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能項(xiàng)；Gκ是由浮力而產(chǎn)生的湍流動能項(xiàng)；μt是湍流黏度系數(shù)；YM是湍流馬赫數(shù)；C1ε、C2ε和C3ε為模型常數(shù)；σκ和σε分別為κ和ε的湍流普朗特?cái)?shù)；Sκ和Sε為用戶自定義源項(xiàng)；u是流體速度；μ是流體黏度。各模型常數(shù)值如表2所示。

表2 κ-ε常數(shù)

1.2.3 物性參數(shù)

工質(zhì)為空氣，其物性參數(shù)、工作溫度與壓力有關(guān)，物性參數(shù)相應(yīng)值如表3所示。

表3 物性參數(shù)

1.2.4 邊界條件

采用ANSYS2021R1中的流體動力學(xué)分析模塊Fluent數(shù)值模擬分析不同開度(10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°)和不同壓比(閥后出口靜壓與閥前進(jìn)口靜壓之比)(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9)對特種閥內(nèi)部壓力和速度的影響規(guī)律。選用Standardκ-ε湍流模型，采用二階迎風(fēng)格式的離散方法和壓力-速度耦合的Couple算法進(jìn)行迭代求解。邊界條件和物性參數(shù)設(shè)置如下：

(1)進(jìn)口邊界。采用壓力進(jìn)口邊界條件，參數(shù)設(shè)置為200 kPa，溫度設(shè)置為25 ℃。

(2)出口邊界。采用壓力出口邊界條件，根據(jù)壓比設(shè)置相應(yīng)的出口壓力，分別為20、40、60、80、100、120、140、160和180 kPa。

(3)壁面邊界。采用無滑移壁面。

(4)初始值。采用默認(rèn)初始值。

2 特種閥流動特性結(jié)果與分析

2.1 速度變化規(guī)律

2.1.1 速度分布規(guī)律

圖4所示為特種閥在閥前壓力為200 kPa，不同壓比的條件下，開度對速度分布的影響。

圖4 在一定壓比條件下開度對速度分布的影響

由圖4可以看出：在壓比0.1和壓比0.9條件下，整個(gè)流場中速度都呈對稱分布，氣流速度隨著開度增大而逐漸增加。在一定開度下，氣流所產(chǎn)生的最大速度梯度處于無級調(diào)節(jié)盤的狹窄過流區(qū)域，出現(xiàn)較復(fù)雜流體流動形式。其主要原因是無級調(diào)節(jié)盤處流通面積減小較快導(dǎo)致速度迅速增加，從而使得壓力迅速降低，當(dāng)氣流流過無級調(diào)節(jié)盤后，壓力上升而速度下降，形成喉口效應(yīng)，喉口效應(yīng)導(dǎo)致在無級調(diào)節(jié)盤出口區(qū)域出現(xiàn)靠近中心的上下2個(gè)旋向相反的漩渦流，使得局部能量損耗增大，從而使得此處的氣體速度隨著能量損耗的增大而減小[20]。除此之外，隨著閥門開度的增大，氣流流經(jīng)無級調(diào)節(jié)盤后速度分布不斷變大且均勻，當(dāng)閥門開度不小于50°時(shí)，特種閥流體在入口和出口處的流速分布較為均勻，流動狀態(tài)較為平穩(wěn)，性能較好。其原因是隨著閥門開度增加，無級調(diào)節(jié)盤流通面積變大，有利于氣體繞流，流場漸漸變得平穩(wěn)，渦流減弱。

在閥前壓力為200 kPa，不同壓比的條件下，壓比對特種閥內(nèi)部速度分布的影響如圖5所示。

圖5 在一定開度下壓比對速度分布的影響

由圖5可以看出：隨著壓比增大，速度梯度逐漸減小，速度分布逐漸趨于均勻，其中壓比等于0.5時(shí)，特種閥的流速分布比較均勻，當(dāng)壓比為0.9時(shí)，流速梯度特別小，整個(gè)特種閥內(nèi)部速度分布均勻性好。其主要原因是壓比大時(shí)，特種閥進(jìn)出口壓差小，流體流動推動力小，特種閥內(nèi)部流速小且變化也較小。

2.1.2 進(jìn)口速度變化規(guī)律

圖6所示為在閥前壓力為200 kPa條件下，壓比和開度與閥進(jìn)口速度之間的變化曲線，可知：在開度一定的情況下，進(jìn)口速度隨著壓比的變化趨勢相同，隨著壓比增大，進(jìn)口速度先保持不變而后不斷地減小。其主要原因是因?yàn)楫?dāng)閥前壓力保持200 kPa不變時(shí)，隨著閥后壓力的不斷減小(即壓比不斷減小)時(shí)，壓差減小，流量也隨之減小，進(jìn)口速度減??；而當(dāng)閥后壓力下降到某一值時(shí)，特種閥發(fā)生了阻塞流[21]，流經(jīng)特種閥的流量不再發(fā)生變化，進(jìn)口速度也不會變化，存在臨界壓比(即隨著壓比減小，進(jìn)口速度不再發(fā)生變化時(shí)的壓比)。在開度為10°～50°時(shí)，臨界壓比約為0.5，在開度為60°～90°時(shí)，臨界壓比約為0.6。

圖6 進(jìn)口速度變化曲線

由圖6還可以看出：在閥前壓力為200 kPa條件下，隨著開度的增加，進(jìn)口速度不斷增大。如壓比為0.1、開度為90°(全開)時(shí)，進(jìn)口速度為72.92 m/s，約為開度10°的9倍。其主要原因是當(dāng)壓比一定、開度增大時(shí)，流經(jīng)特種閥的流量會成倍地增加，致使速度隨之增大。

2.2 壓力變化規(guī)律

2.2.1 壓力分布規(guī)律

圖7所示為特種閥在閥前壓力為200 kPa、不同壓比的條件下，開度對壓力分布的影響?？梢钥闯觯禾胤N閥流場壓力呈軸對稱分布，在整個(gè)開啟過程中，壓力變化最大的地方處于無級調(diào)節(jié)盤前后區(qū)域；在閥門開啟過程中，閥內(nèi)壓差隨著開度的增大而減小，壓力分布逐漸均勻，且負(fù)壓區(qū)隨之增大。分析圖4和圖7可知：氣流經(jīng)過無級調(diào)節(jié)盤后形成漩渦，造成能量損失從而使得漩渦周圍的流體速度減小，由動壓與速度的平方成正比可知壓力會迅速減小并在局部形成負(fù)壓區(qū)，漩渦越小負(fù)壓區(qū)越均勻。

圖7 在一定壓比條件下開度對壓力分布的影響

2.2.2 流阻系數(shù)變化規(guī)律

分析閥前閥后模擬數(shù)據(jù)可知，閥前閥后壓差隨著閥門開度變化而變化，由流阻系數(shù)公式可知流阻系數(shù)也隨閥門開度的變化而變化。流阻系數(shù)即流體流過特種閥時(shí)受到的阻力，其計(jì)算式如式(7)所示：

(7)

式中：ξ為特種閥流阻系數(shù)；Δp為特種閥前后壓力損失，Pa；v為與ξ相對應(yīng)的截面平均流速，通常指流體通過局部阻礙后的截面平均流速，m/s。

通過式(7)計(jì)算可得不同開度和壓比下特種閥流量系數(shù)，流阻系數(shù)與開度的變化曲線如圖8所示?？芍涸趬罕纫欢ǖ那闆r下，流阻系數(shù)隨著開度的增加而不斷地減小最后逐漸趨于平穩(wěn)，此趨勢與閥門開啟流阻系數(shù)的變化規(guī)律一致。開度為10°～40°時(shí)，流阻系數(shù)下降最顯著，開度從10°變大到30°時(shí)，流阻系數(shù)下降了88%。由圖8還可以看出：在開度一定時(shí)，隨著壓比的增加，流阻系數(shù)也不斷減小，但是減小率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隨著開度增大的減小率，其中壓比為0.1時(shí)，流阻系數(shù)隨著開度增大下降速度最大。其主要原因是當(dāng)開度一定、壓比增大時(shí)，特種閥進(jìn)出口壓差減小，推力減小，致使流阻系數(shù)隨之減小。

圖8 流阻系數(shù)變化曲線

3 結(jié)論

(1)在整個(gè)流場中速度呈對稱分布，氣流速度隨著開度增大而逐漸增加且分布逐漸趨于均勻，當(dāng)開度不小于50°時(shí)，特種閥流通性能較好，流態(tài)平穩(wěn)。

(2)在閥前壓力為200 kPa、開度不變的條件下，進(jìn)口速度隨著壓比的增大，先保持不變而后不斷地減小，存在臨界壓比。開度為10°～50°時(shí)，臨界壓比約為0.5，開度為60°～90°時(shí)，臨界壓比約為0.6。

(3)在閥前壓力為200 kPa，進(jìn)口速度隨著開度增大而增加，壓比為0.1、開度90°(全開)時(shí)的進(jìn)口速度為72.92 m/s，約為開度10°的9倍。

(4)特種閥流場壓力呈軸對稱分布，壓力梯度最大處位于無級調(diào)節(jié)盤前后區(qū)域，隨著閥門開度的增大，負(fù)壓區(qū)逐漸擴(kuò)大。

(5)流阻系數(shù)隨著開度和壓比的增加而不斷減小并逐漸趨于平穩(wěn)，開度為10°～40°時(shí)，流阻系數(shù)下降最顯著，開度從10°變大到30°時(shí)，流阻系數(shù)下降了88%。