減壓器關閉過程內部流場的動態(tài)仿真和特性分析

鄭 麗 ，李清廉，羅澤明，沈赤兵

（1.國防科技大學航天與材料工程學院，長沙 410073；2.海軍飛行學院，遼寧葫蘆島 125001）

減壓器關閉過程內部流場的動態(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.國防科技大學航天與材料工程學院，長沙 410073；2.海軍飛行學院，遼寧葫蘆島 125001）

針對自主研制的大流量減壓器，采用動網格技術和流固耦合仿真技術，將氣體的流動和活動組件的運動耦合起來，實現了關閉過程中內部流場的動態(tài)仿真，描述了關閉過程減壓器內壓力和速度變化過程，掌握了流場中波系、回流區(qū)的演化情況。同時，通過對流場中不同位置參數進行監(jiān)測，分析了監(jiān)測點各參數隨時間的變化情況，以及流量和開度的實時變化情況，研究了基于動態(tài)流場的關閉過程動態(tài)特性，揭示了影響動態(tài)特性的內在因素。

減壓器；內流場；動態(tài)特性；數值仿真

0 引言

隨著計算機技術和計算流體力學（CFD—Computational Fluid Dynamics）的發(fā)展，利用CFD方法對閥門內部流場進行仿真[1-8]，以實現流場的可視化，在很多方面得到了廣泛應用。減壓器作為1種調壓閥，在航空航天領域發(fā)揮著重要作用，其內部流動是1個典型的流固耦合問題，目前還未見對其內部流場的研究。文獻[9]針對自主研制的大流量減壓器，采用動網格技術和流固耦合仿真技術對其開啟過程的內部流場演化情況進行仿真，并基于仿真結果進行了動態(tài)特性研究。

本文針對同一減壓器，采用相同方法研究了其關閉過程的流場演化情況，并分析了關閉過程的動態(tài)特性。

1 工作原理和計算模型

1.1 工作原理

自主研制的減壓器結構如圖1所示。通入控制氣，控制腔E內壓力增大，膜片4向上變形，通過頂桿3使閥芯1開啟，減壓器開始工作，輸出流量。

1.2 計算模型及網格劃分

在假設工質氧氣為可壓縮的理想氣體，減壓器節(jié)流邊和內壁具有尖銳的棱邊，且根據節(jié)流面積對非對稱部件進行面積折算的基礎上，建立了其2維簡化軸對稱模型。根據減壓器工作過程，以減壓器—管道—聲速噴嘴的內流道為仿真計算域，如圖2所示。由于減壓器的閥芯和膜片是運動的，故在其運動區(qū)域采用非結構網格即在閥芯與閥座之間設有節(jié)流處、阻尼腔、控制腔；在其他區(qū)域采用結構網格，且進行了加密處理。

1.3 控制方程和定解條件

仿真采用k-ε模型。初始條件由計算條件決定。壁面邊界條件為無滑移、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 關閉過程流場演化

本文研究的減壓器的工作過程分為充填、開啟、穩(wěn)定和關閉4個過程。關閉過程作為其中的1個階段，計算的初始條件是在一定邊界條件下的穩(wěn)態(tài)流場。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關閉，在此基礎上對關閉過程的流場進行仿真，得到流場的變化規(guī)律。

關閉瞬間即t=1s時，減壓器開度為h=0.0038m，流量為m˙=22.03kg/s，減壓器內部流場為穩(wěn)態(tài)流場，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，在閥座拐點處有膨脹波，在閥芯底部有一高壓堆積區(qū)；在減壓器軸線處氣流產生激波串；在出口腔內氣體存在2個回流區(qū)，1個在閥座后，另1個在出口腔內。

關閉過程出口腔流場的壓力變化如圖4所示。從圖中可見，在下游閥門關閉后很短的1段時間內，氣體在管道內形成小回流區(qū)，管道前壓力增大。這樣一來，氣體就會流入阻尼腔，使其壓力增大。由于在一段時間內減壓器仍然未關閉，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)通過阻尼孔流入阻尼腔。

氣體流入阻尼腔，使阻尼腔壓力增大。當阻尼腔壓力增大到一定程度，在t=1.004325s時，減壓器即將關閉，開度為0。入口腔氣體不再進入出口腔，已經流入出口腔的氣體沿著軸線向底部流去，最后到達腔內的大范圍回流區(qū)內，隨回流區(qū)一起旋轉。同時，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，其范圍逐漸減小。當t=2.2006781s時，其壓力與周圍壓力達到平衡。

關閉過程出口腔流場的速度變化如圖5所示。從圖中可見，在下游閥門關閉的初始時刻，閥芯處為超聲速流動，隨著開度的減小和出口腔壓力的增大，氣流速度迅速降低；在減壓器關閉一段時間后，閥座后氣體的速度明顯降低，出口腔內氣體在大的回流區(qū)的作用下，壓力逐漸均勻。氣體主要在腔體內繼續(xù)旋轉，且旋轉速度越來越低。到達t=1.999946 s時，出口腔氣體仍在運動，但最大速度已經降為1.85m/s，之后經過一段很長的時間才能完全停止。

關閉過程出口腔流線如圖6所示。

在下游閥門關閉時，減壓器內有2個回流區(qū)。由于閥座節(jié)流處的流速很大，拐點后的回流區(qū)較小，靠近壁面。在閥門關閉后，閥座拐點后的回流區(qū)越來越大，向軸線移動。出口腔內回流區(qū)一直存在。

3 關閉過程動態(tài)特性分析

在對關閉過程流場演化進行仿真的同時，選取了流場中一些點對流場參數進行監(jiān)測，得到監(jiān)測點在關閉過程中各參數變化情況。本文選取的監(jiān)測點見文獻[9]。

關閉過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。在減壓器關閉過程中，閥芯開度呈線性規(guī)律逐漸減小，最后一直保持為0。阻尼腔壓力在關閉過程中呈增大趨勢至最后穩(wěn)定時保持不變，但比出口腔壓力變化滯后，這是因為阻尼孔的面積有限。出口腔壓力先增大再小幅減小，最后保持穩(wěn)定。控制腔壓力先增大再減小，最后保持在初始值。阻尼腔和出口腔壓力都大于初始值。

下游閥門關閉后，由于減壓器并不能馬上關閉，隨著管道內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。由于膜片面積遠遠大于閥芯面積，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，更加快了減壓器關閉的速度。在t=1.004325s時，開度為0，減壓器處于完全關閉狀態(tài)。此后閥芯上游的壓力對下游無任何影響，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，氣體通過小孔沿控制氣支路往回流，最終控制腔壓力恢復到初始值。

關閉過程減壓器出口、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，一直是氣體從出口腔流向阻尼腔，交換的氣體的量較小，與出口腔內靠近阻尼孔處壓力不高有關。由于控制氣能自動調節(jié)一直保持在設定的壓力 pc=5MPa，當開度減小時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)較長時間以后，最后又穩(wěn)定為設定的控制氣壓力值。

關閉過程中出口腔內不同點的壓力變化曲線如圖10所示。從圖中可見，關閉過程是出口腔氣體壓力趨于一致的過程。當減壓器處于穩(wěn)態(tài)時，出口腔內上游壓力明顯高于下游壓力。在下游閥門關閉而減壓器未完全關閉之間，隨著開度的減小，出口腔內各點壓力都增大。由于閥芯底部位置比較特殊，處于高壓堆積區(qū)，壓力本來就比其他點高很多。在下游閥門關閉的初始階段，通過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。當開度小到一定程度時，流過閥芯的氣體減少，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，壓力開始減小。當減壓器完全關閉后，出口腔內氣體在壓差的作用下繼續(xù)運動，壓力趨于平均。從監(jiān)測點的壓力變化曲線看，這個混合達到平均的過程比較緩慢。

出口腔內最大速度變化曲線如圖11所示。從圖中可見，關閉瞬間流場最大流速達到620m/s。在閥芯關閉過程中，流速迅速減小。當減壓器的開度為0時，速度減小到100m/s。此后，由于氣體僅在出口腔和阻尼腔內部小流量交換，出口腔內速度減小的速度放慢。當時，最大速度已經減為1.85m/s，驗證了上文中流場速度變化率越來越小的結論。

4 結論

采用動網格技術和流固耦合仿真技術，進行了關閉過程減壓器內部流場的演化過程和動態(tài)特性研究，得到以下結論：下游閥門關閉后，在減壓器逐漸關閉的過程中，減壓器出口腔內流場發(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，且出口腔內氣流速度越來越小。

[1]王林祥，陳鷹，路甫祥.液壓閥道內的三維流體流動的數值分析[J].中國機械工程，1999，13（1）：127-129.

[2]高殿榮.液壓技術中復雜流道流場的數值模擬和可視化研究[D].河北：燕山大學，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.固體燃氣調壓閥內流場冷氣模擬[J].彈箭與制導學報，2006，26（2）：1183-1186.

[8]李哲，魏志軍，張平.燃氣調壓閥內流場三維數值模擬[J].固體火箭技術，2007，30（7）：210-213.

[9]鄭麗，李清廉，羅澤明，等.減壓器開啟過程內部流場的動態(tài)仿真和特性研究[J].火箭推進，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，研究方向為先進推進技術。