供氣調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)瞬態(tài)數(shù)值模擬研究

邱宏軍

摘 要：文章利用自編UDF程序?qū)庹{(diào)節(jié)閥變壓差工況進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬，得到流量隨進(jìn)出口壓差的減小而減小；在壓差較小時(shí)，流量的變化對(duì)壓差的變化更敏感。利用UDF程序與動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，控制閥芯的運(yùn)動(dòng)，對(duì)閥門的開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到閥門內(nèi)流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開(kāi)度較小時(shí)，閥門內(nèi)流量的變化對(duì)閥芯的運(yùn)動(dòng)更加敏感。

關(guān)鍵詞：供氣調(diào)節(jié)閥；瞬態(tài)數(shù)值模擬；壓差

前言

供氣調(diào)節(jié)閥是一種控制調(diào)節(jié)元件，是實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)輸送的重要設(shè)備[1]。對(duì)其出口壓力瞬變、閥開(kāi)啟和關(guān)閉情況進(jìn)行詳細(xì)的了解，對(duì)系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。本文利用自編UDF程序?qū)庹{(diào)節(jié)閥變壓差工況進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬及不同時(shí)刻流場(chǎng)進(jìn)行分析；利用UDF程序與動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，控制閥芯運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)閥開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 出口壓力變化的瞬態(tài)數(shù)值模擬

對(duì)閥門出口壓力變化時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)過(guò)程中的流場(chǎng)進(jìn)行分析。

1.1 瞬態(tài)數(shù)值模擬的條件

通過(guò)閥門向儲(chǔ)氣筒充過(guò)熱蒸汽，則閥門出口壓力即為儲(chǔ)氣筒的壓力。閥門進(jìn)口壓力保持不變 ，為1.2MPa，過(guò)熱蒸汽溫度為350℃，充氣過(guò)程中充氣時(shí)間為39s，即閥門出口壓力（儲(chǔ)氣筒的壓力）在39s內(nèi)由0.7MPa升至1.2MPa，充氣過(guò)程結(jié)束。在充氣過(guò)程中，壓力隨時(shí)間的變化近似為直線變化過(guò)程。流動(dòng)時(shí)間t<39s時(shí)可用方程p=1.28×e4×t+7×e5表示出口壓力隨時(shí)間的變化。當(dāng)t≥39s時(shí)出口壓力維持在1.2MPa。

1.2 編寫(xiě)UDF程序和求解設(shè)置

根據(jù)以上條件編制UDF程序并對(duì)對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行初始化，迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.1s，時(shí)步數(shù)為400，最大迭代數(shù)為500，設(shè)置每5個(gè)時(shí)間步，開(kāi)始迭代運(yùn)算。

2 計(jì)算結(jié)果及流場(chǎng)分析

2.1 全開(kāi)度流量計(jì)算

全開(kāi)時(shí)流量隨時(shí)間變化是在39s內(nèi)，隨著出口壓力的增大，流量呈下降趨勢(shì)。在35s（出口壓力約為1.15MPa，質(zhì)量流量約為0.4kg/s）內(nèi)，流量下降較為平緩，在35s至39s之間，流量下降較快。在出口壓力變化的過(guò)程中，流過(guò)閥門的過(guò)熱蒸汽的最大流量約為1.06kg/s，且此時(shí)閥門進(jìn)出口的壓差最大，在39s時(shí)流量變?yōu)?，此時(shí)進(jìn)出口的壓差為0。由此可得出，工質(zhì)不變且閥門開(kāi)度不變的情況下，閥門流量與進(jìn)出口的壓差有關(guān)，壓差越大，流量也越大。

2.2 全開(kāi)度流場(chǎng)數(shù)值模擬及分析

（a）10s時(shí)的壓力云圖 （b）20s時(shí)的壓力云圖

圖1 全開(kāi)度條件下不同時(shí)刻壓力云圖（MPa）

（a） 10s時(shí)的速度云圖 （b） 20s時(shí)的速度云圖

圖2 全開(kāi)度不同時(shí)刻速度云圖（m/s）

調(diào)節(jié)閥各個(gè)時(shí)刻的壓力與速度云圖如圖1、圖2所示。從圖中可得，隨著時(shí)間的推移出口壓力逐漸增大，進(jìn)出口壓差逐漸減小，此時(shí)閥腔內(nèi)壓力升高，節(jié)流處的壓力梯度減小，并且閥腔內(nèi)的整體流速隨著壓差的減小而降低，節(jié)流處減壓增速效果減弱。

3 閥門開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)值模擬

對(duì)閥門開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，閥芯的運(yùn)動(dòng)速度為0.003m/s，進(jìn)口壓力保持在1.2MPa，出口壓力保持在0.7MPa，工質(zhì)為385℃的過(guò)熱蒸汽。利用UDF程序控制閥芯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[2]，得到不同時(shí)刻的流場(chǎng)可視化圖形。關(guān)閉過(guò)程從全開(kāi)狀態(tài)開(kāi)始計(jì)算，開(kāi)啟過(guò)程從10%小開(kāi)度（閥門升程為3mm）開(kāi)始計(jì)算。動(dòng)態(tài)計(jì)算過(guò)程采用了動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。在啟閉過(guò)程中，上下閥腔內(nèi)的網(wǎng)格受到拉伸、壓縮和重構(gòu)。由于目前還不能把動(dòng)網(wǎng)格厚度壓縮為零，所以瞬態(tài)計(jì)算還不能模擬完全閉合的狀態(tài)[3]。

3.1 關(guān)閉過(guò)程數(shù)值模擬

3.1.1 程序的編寫(xiě)和求解設(shè)置

編制UDF程序來(lái)控制閥芯的運(yùn)動(dòng)。關(guān)閉過(guò)程閥芯運(yùn)動(dòng)速度為0.003m/s，從全開(kāi)度到接近閉合所需時(shí)間為10s。對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行初始化，迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s，時(shí)間步數(shù)為1000步，最大迭代數(shù)為500，設(shè)置每10個(gè)時(shí)間步對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，開(kāi)始迭代運(yùn)算。

3.1.2 結(jié)果分析

在閥門關(guān)閉前穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的流量為1.12kg/s。隨著閥芯向下運(yùn)動(dòng)，流量減小。關(guān)閉的前半階段流量變化緩慢，在1到5秒內(nèi)流量為最大流量的1/4，而在后半階段，流量變化較快，在5到10秒內(nèi)減小了約為最大流量的3/4。這是受閥芯形狀的影響，進(jìn)出口壓差一定時(shí)，流量取決于節(jié)流面積；而在后半階段，閥芯下降節(jié)流面積變化較大，導(dǎo)致流量的下降速度變快。

3.1.3 各時(shí)刻流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

各時(shí)刻流場(chǎng)壓力與速度云圖可知，各時(shí)刻即閥芯開(kāi)度為20%、40%、60%與80%，閥芯升程6mm、12mm、18mm與24mm。在閥芯下降中，蒸汽流過(guò)閥芯是都有減壓增速的效果。隨著閥芯的下降，高速區(qū)域的范圍逐漸減小，且閥腔整體流速降低，進(jìn)出口流道內(nèi)的壓力越來(lái)越均勻。

3.2 開(kāi)啟過(guò)程數(shù)值模擬

3.2.1 程序編寫(xiě)和求解設(shè)置

閥門開(kāi)啟過(guò)程UDF程序如下，程序用來(lái)控制閥芯的運(yùn)動(dòng)，閥芯運(yùn)動(dòng)速度為0.003m/s，從10%開(kāi)度到全開(kāi)度運(yùn)動(dòng)時(shí)間為9s。對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行初始化，迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s，時(shí)間步數(shù)為900步，最大迭代數(shù)為500，設(shè)置每10個(gè)時(shí)間步對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，開(kāi)始迭代運(yùn)算。

3.2.2 結(jié)果分析

在閥門開(kāi)啟前，閥門為10%開(kāi)度，流量為0.15kg/s。隨著閥芯向上運(yùn)動(dòng)，流量相應(yīng)增加。在開(kāi)啟過(guò)程的前半階段，流量增加較快，而在開(kāi)啟的后半階段，流量增加緩慢。閥門在開(kāi)啟過(guò)程結(jié)束時(shí)達(dá)到最大流量1.12kg/s。與關(guān)閉過(guò)程的分析相同，流量的變化受到閥芯形狀的影響，在開(kāi)啟過(guò)程的前半階段，閥門開(kāi)度較小，流量隨之變化較大。而在開(kāi)啟過(guò)程的后半階段，閥芯運(yùn)動(dòng)單位升程所引起的節(jié)流面積的變化較小，因而流量的變化小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先利用UDF程序控制閥門出口的壓力變化，得到了流量在出口壓力連續(xù)變化的條件下隨時(shí)間變化的情況。又利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)用UDF程序控制閥芯的運(yùn)動(dòng)，得到了流量在開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。得到結(jié)論如下：

（1）閥門流量隨著進(jìn)出口壓差的連續(xù)變化而連續(xù)變化，且流量隨著壓差的減小而減小；在壓差較小時(shí)，流量的變化對(duì)壓差的變化更敏感。

（2）閥門開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程中，流量隨開(kāi)度的變化而變化，且流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開(kāi)度較小時(shí)，閥門流量的變化對(duì)閥芯的運(yùn)動(dòng)更加敏感。

參考文獻(xiàn)

[1]劉剛，方金春，雍歧衛(wèi).調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值模擬[J].閥門，2004（4）：8-14.

[2]Johnson D A，King L S.Amathematical simple turbulence closure method for attached and seperated turbulent boundary layers.AIAA[J].1985，23（11）：1684-1692.

[3]石娟，姚征，馬明軒.調(diào)節(jié)閥內(nèi)三維流動(dòng)與啟閉過(guò)程的數(shù)值模擬及分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37（6）：498-502.endprint

摘 要：文章利用自編UDF程序?qū)庹{(diào)節(jié)閥變壓差工況進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬，得到流量隨進(jìn)出口壓差的減小而減小；在壓差較小時(shí)，流量的變化對(duì)壓差的變化更敏感。利用UDF程序與動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，控制閥芯的運(yùn)動(dòng)，對(duì)閥門的開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到閥門內(nèi)流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開(kāi)度較小時(shí)，閥門內(nèi)流量的變化對(duì)閥芯的運(yùn)動(dòng)更加敏感。

關(guān)鍵詞：供氣調(diào)節(jié)閥；瞬態(tài)數(shù)值模擬；壓差

前言

供氣調(diào)節(jié)閥是一種控制調(diào)節(jié)元件，是實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)輸送的重要設(shè)備[1]。對(duì)其出口壓力瞬變、閥開(kāi)啟和關(guān)閉情況進(jìn)行詳細(xì)的了解，對(duì)系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。本文利用自編UDF程序?qū)庹{(diào)節(jié)閥變壓差工況進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬及不同時(shí)刻流場(chǎng)進(jìn)行分析；利用UDF程序與動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，控制閥芯運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)閥開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 出口壓力變化的瞬態(tài)數(shù)值模擬

對(duì)閥門出口壓力變化時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)過(guò)程中的流場(chǎng)進(jìn)行分析。

1.1 瞬態(tài)數(shù)值模擬的條件

通過(guò)閥門向儲(chǔ)氣筒充過(guò)熱蒸汽，則閥門出口壓力即為儲(chǔ)氣筒的壓力。閥門進(jìn)口壓力保持不變 ，為1.2MPa，過(guò)熱蒸汽溫度為350℃，充氣過(guò)程中充氣時(shí)間為39s，即閥門出口壓力（儲(chǔ)氣筒的壓力）在39s內(nèi)由0.7MPa升至1.2MPa，充氣過(guò)程結(jié)束。在充氣過(guò)程中，壓力隨時(shí)間的變化近似為直線變化過(guò)程。流動(dòng)時(shí)間t<39s時(shí)可用方程p=1.28×e4×t+7×e5表示出口壓力隨時(shí)間的變化。當(dāng)t≥39s時(shí)出口壓力維持在1.2MPa。

1.2 編寫(xiě)UDF程序和求解設(shè)置

根據(jù)以上條件編制UDF程序并對(duì)對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行初始化，迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.1s，時(shí)步數(shù)為400，最大迭代數(shù)為500，設(shè)置每5個(gè)時(shí)間步，開(kāi)始迭代運(yùn)算。

2 計(jì)算結(jié)果及流場(chǎng)分析

2.1 全開(kāi)度流量計(jì)算

全開(kāi)時(shí)流量隨時(shí)間變化是在39s內(nèi)，隨著出口壓力的增大，流量呈下降趨勢(shì)。在35s（出口壓力約為1.15MPa，質(zhì)量流量約為0.4kg/s）內(nèi)，流量下降較為平緩，在35s至39s之間，流量下降較快。在出口壓力變化的過(guò)程中，流過(guò)閥門的過(guò)熱蒸汽的最大流量約為1.06kg/s，且此時(shí)閥門進(jìn)出口的壓差最大，在39s時(shí)流量變?yōu)?，此時(shí)進(jìn)出口的壓差為0。由此可得出，工質(zhì)不變且閥門開(kāi)度不變的情況下，閥門流量與進(jìn)出口的壓差有關(guān)，壓差越大，流量也越大。

2.2 全開(kāi)度流場(chǎng)數(shù)值模擬及分析

（a）10s時(shí)的壓力云圖 （b）20s時(shí)的壓力云圖

圖1 全開(kāi)度條件下不同時(shí)刻壓力云圖（MPa）

（a） 10s時(shí)的速度云圖 （b） 20s時(shí)的速度云圖

圖2 全開(kāi)度不同時(shí)刻速度云圖（m/s）

調(diào)節(jié)閥各個(gè)時(shí)刻的壓力與速度云圖如圖1、圖2所示。從圖中可得，隨著時(shí)間的推移出口壓力逐漸增大，進(jìn)出口壓差逐漸減小，此時(shí)閥腔內(nèi)壓力升高，節(jié)流處的壓力梯度減小，并且閥腔內(nèi)的整體流速隨著壓差的減小而降低，節(jié)流處減壓增速效果減弱。

3 閥門開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)值模擬

對(duì)閥門開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，閥芯的運(yùn)動(dòng)速度為0.003m/s，進(jìn)口壓力保持在1.2MPa，出口壓力保持在0.7MPa，工質(zhì)為385℃的過(guò)熱蒸汽。利用UDF程序控制閥芯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[2]，得到不同時(shí)刻的流場(chǎng)可視化圖形。關(guān)閉過(guò)程從全開(kāi)狀態(tài)開(kāi)始計(jì)算，開(kāi)啟過(guò)程從10%小開(kāi)度（閥門升程為3mm）開(kāi)始計(jì)算。動(dòng)態(tài)計(jì)算過(guò)程采用了動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。在啟閉過(guò)程中，上下閥腔內(nèi)的網(wǎng)格受到拉伸、壓縮和重構(gòu)。由于目前還不能把動(dòng)網(wǎng)格厚度壓縮為零，所以瞬態(tài)計(jì)算還不能模擬完全閉合的狀態(tài)[3]。

3.1 關(guān)閉過(guò)程數(shù)值模擬

3.1.1 程序的編寫(xiě)和求解設(shè)置

編制UDF程序來(lái)控制閥芯的運(yùn)動(dòng)。關(guān)閉過(guò)程閥芯運(yùn)動(dòng)速度為0.003m/s，從全開(kāi)度到接近閉合所需時(shí)間為10s。對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行初始化，迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s，時(shí)間步數(shù)為1000步，最大迭代數(shù)為500，設(shè)置每10個(gè)時(shí)間步對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，開(kāi)始迭代運(yùn)算。

3.1.2 結(jié)果分析

在閥門關(guān)閉前穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的流量為1.12kg/s。隨著閥芯向下運(yùn)動(dòng)，流量減小。關(guān)閉的前半階段流量變化緩慢，在1到5秒內(nèi)流量為最大流量的1/4，而在后半階段，流量變化較快，在5到10秒內(nèi)減小了約為最大流量的3/4。這是受閥芯形狀的影響，進(jìn)出口壓差一定時(shí)，流量取決于節(jié)流面積；而在后半階段，閥芯下降節(jié)流面積變化較大，導(dǎo)致流量的下降速度變快。

3.1.3 各時(shí)刻流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

各時(shí)刻流場(chǎng)壓力與速度云圖可知，各時(shí)刻即閥芯開(kāi)度為20%、40%、60%與80%，閥芯升程6mm、12mm、18mm與24mm。在閥芯下降中，蒸汽流過(guò)閥芯是都有減壓增速的效果。隨著閥芯的下降，高速區(qū)域的范圍逐漸減小，且閥腔整體流速降低，進(jìn)出口流道內(nèi)的壓力越來(lái)越均勻。

3.2 開(kāi)啟過(guò)程數(shù)值模擬

3.2.1 程序編寫(xiě)和求解設(shè)置

閥門開(kāi)啟過(guò)程UDF程序如下，程序用來(lái)控制閥芯的運(yùn)動(dòng)，閥芯運(yùn)動(dòng)速度為0.003m/s，從10%開(kāi)度到全開(kāi)度運(yùn)動(dòng)時(shí)間為9s。對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行初始化，迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s，時(shí)間步數(shù)為900步，最大迭代數(shù)為500，設(shè)置每10個(gè)時(shí)間步對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，開(kāi)始迭代運(yùn)算。

3.2.2 結(jié)果分析

在閥門開(kāi)啟前，閥門為10%開(kāi)度，流量為0.15kg/s。隨著閥芯向上運(yùn)動(dòng)，流量相應(yīng)增加。在開(kāi)啟過(guò)程的前半階段，流量增加較快，而在開(kāi)啟的后半階段，流量增加緩慢。閥門在開(kāi)啟過(guò)程結(jié)束時(shí)達(dá)到最大流量1.12kg/s。與關(guān)閉過(guò)程的分析相同，流量的變化受到閥芯形狀的影響，在開(kāi)啟過(guò)程的前半階段，閥門開(kāi)度較小，流量隨之變化較大。而在開(kāi)啟過(guò)程的后半階段，閥芯運(yùn)動(dòng)單位升程所引起的節(jié)流面積的變化較小，因而流量的變化小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先利用UDF程序控制閥門出口的壓力變化，得到了流量在出口壓力連續(xù)變化的條件下隨時(shí)間變化的情況。又利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)用UDF程序控制閥芯的運(yùn)動(dòng)，得到了流量在開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。得到結(jié)論如下：

（1）閥門流量隨著進(jìn)出口壓差的連續(xù)變化而連續(xù)變化，且流量隨著壓差的減小而減小；在壓差較小時(shí)，流量的變化對(duì)壓差的變化更敏感。

（2）閥門開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程中，流量隨開(kāi)度的變化而變化，且流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開(kāi)度較小時(shí)，閥門流量的變化對(duì)閥芯的運(yùn)動(dòng)更加敏感。

參考文獻(xiàn)

[1]劉剛，方金春，雍歧衛(wèi).調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值模擬[J].閥門，2004（4）：8-14.

[2]Johnson D A，King L S.Amathematical simple turbulence closure method for attached and seperated turbulent boundary layers.AIAA[J].1985，23（11）：1684-1692.

[3]石娟，姚征，馬明軒.調(diào)節(jié)閥內(nèi)三維流動(dòng)與啟閉過(guò)程的數(shù)值模擬及分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37（6）：498-502.endprint

摘 要：文章利用自編UDF程序?qū)庹{(diào)節(jié)閥變壓差工況進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬，得到流量隨進(jìn)出口壓差的減小而減小；在壓差較小時(shí)，流量的變化對(duì)壓差的變化更敏感。利用UDF程序與動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，控制閥芯的運(yùn)動(dòng)，對(duì)閥門的開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得到閥門內(nèi)流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開(kāi)度較小時(shí)，閥門內(nèi)流量的變化對(duì)閥芯的運(yùn)動(dòng)更加敏感。

關(guān)鍵詞：供氣調(diào)節(jié)閥；瞬態(tài)數(shù)值模擬；壓差

前言

供氣調(diào)節(jié)閥是一種控制調(diào)節(jié)元件，是實(shí)現(xiàn)管道系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)輸送的重要設(shè)備[1]。對(duì)其出口壓力瞬變、閥開(kāi)啟和關(guān)閉情況進(jìn)行詳細(xì)的了解，對(duì)系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。本文利用自編UDF程序?qū)庹{(diào)節(jié)閥變壓差工況進(jìn)行瞬態(tài)數(shù)值模擬及不同時(shí)刻流場(chǎng)進(jìn)行分析；利用UDF程序與動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，控制閥芯運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)閥開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

1 出口壓力變化的瞬態(tài)數(shù)值模擬

對(duì)閥門出口壓力變化時(shí)的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，對(duì)過(guò)程中的流場(chǎng)進(jìn)行分析。

1.1 瞬態(tài)數(shù)值模擬的條件

通過(guò)閥門向儲(chǔ)氣筒充過(guò)熱蒸汽，則閥門出口壓力即為儲(chǔ)氣筒的壓力。閥門進(jìn)口壓力保持不變 ，為1.2MPa，過(guò)熱蒸汽溫度為350℃，充氣過(guò)程中充氣時(shí)間為39s，即閥門出口壓力（儲(chǔ)氣筒的壓力）在39s內(nèi)由0.7MPa升至1.2MPa，充氣過(guò)程結(jié)束。在充氣過(guò)程中，壓力隨時(shí)間的變化近似為直線變化過(guò)程。流動(dòng)時(shí)間t<39s時(shí)可用方程p=1.28×e4×t+7×e5表示出口壓力隨時(shí)間的變化。當(dāng)t≥39s時(shí)出口壓力維持在1.2MPa。

1.2 編寫(xiě)UDF程序和求解設(shè)置

根據(jù)以上條件編制UDF程序并對(duì)對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行初始化，迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.1s，時(shí)步數(shù)為400，最大迭代數(shù)為500，設(shè)置每5個(gè)時(shí)間步，開(kāi)始迭代運(yùn)算。

2 計(jì)算結(jié)果及流場(chǎng)分析

2.1 全開(kāi)度流量計(jì)算

全開(kāi)時(shí)流量隨時(shí)間變化是在39s內(nèi)，隨著出口壓力的增大，流量呈下降趨勢(shì)。在35s（出口壓力約為1.15MPa，質(zhì)量流量約為0.4kg/s）內(nèi)，流量下降較為平緩，在35s至39s之間，流量下降較快。在出口壓力變化的過(guò)程中，流過(guò)閥門的過(guò)熱蒸汽的最大流量約為1.06kg/s，且此時(shí)閥門進(jìn)出口的壓差最大，在39s時(shí)流量變?yōu)?，此時(shí)進(jìn)出口的壓差為0。由此可得出，工質(zhì)不變且閥門開(kāi)度不變的情況下，閥門流量與進(jìn)出口的壓差有關(guān)，壓差越大，流量也越大。

2.2 全開(kāi)度流場(chǎng)數(shù)值模擬及分析

（a）10s時(shí)的壓力云圖 （b）20s時(shí)的壓力云圖

圖1 全開(kāi)度條件下不同時(shí)刻壓力云圖（MPa）

（a） 10s時(shí)的速度云圖 （b） 20s時(shí)的速度云圖

圖2 全開(kāi)度不同時(shí)刻速度云圖（m/s）

調(diào)節(jié)閥各個(gè)時(shí)刻的壓力與速度云圖如圖1、圖2所示。從圖中可得，隨著時(shí)間的推移出口壓力逐漸增大，進(jìn)出口壓差逐漸減小，此時(shí)閥腔內(nèi)壓力升高，節(jié)流處的壓力梯度減小，并且閥腔內(nèi)的整體流速隨著壓差的減小而降低，節(jié)流處減壓增速效果減弱。

3 閥門開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)值模擬

對(duì)閥門開(kāi)啟與關(guān)閉動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，閥芯的運(yùn)動(dòng)速度為0.003m/s，進(jìn)口壓力保持在1.2MPa，出口壓力保持在0.7MPa，工質(zhì)為385℃的過(guò)熱蒸汽。利用UDF程序控制閥芯的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[2]，得到不同時(shí)刻的流場(chǎng)可視化圖形。關(guān)閉過(guò)程從全開(kāi)狀態(tài)開(kāi)始計(jì)算，開(kāi)啟過(guò)程從10%小開(kāi)度（閥門升程為3mm）開(kāi)始計(jì)算。動(dòng)態(tài)計(jì)算過(guò)程采用了動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。在啟閉過(guò)程中，上下閥腔內(nèi)的網(wǎng)格受到拉伸、壓縮和重構(gòu)。由于目前還不能把動(dòng)網(wǎng)格厚度壓縮為零，所以瞬態(tài)計(jì)算還不能模擬完全閉合的狀態(tài)[3]。

3.1 關(guān)閉過(guò)程數(shù)值模擬

3.1.1 程序的編寫(xiě)和求解設(shè)置

編制UDF程序來(lái)控制閥芯的運(yùn)動(dòng)。關(guān)閉過(guò)程閥芯運(yùn)動(dòng)速度為0.003m/s，從全開(kāi)度到接近閉合所需時(shí)間為10s。對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行初始化，迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s，時(shí)間步數(shù)為1000步，最大迭代數(shù)為500，設(shè)置每10個(gè)時(shí)間步對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，開(kāi)始迭代運(yùn)算。

3.1.2 結(jié)果分析

在閥門關(guān)閉前穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下的流量為1.12kg/s。隨著閥芯向下運(yùn)動(dòng)，流量減小。關(guān)閉的前半階段流量變化緩慢，在1到5秒內(nèi)流量為最大流量的1/4，而在后半階段，流量變化較快，在5到10秒內(nèi)減小了約為最大流量的3/4。這是受閥芯形狀的影響，進(jìn)出口壓差一定時(shí)，流量取決于節(jié)流面積；而在后半階段，閥芯下降節(jié)流面積變化較大，導(dǎo)致流量的下降速度變快。

3.1.3 各時(shí)刻流場(chǎng)數(shù)值模擬分析

各時(shí)刻流場(chǎng)壓力與速度云圖可知，各時(shí)刻即閥芯開(kāi)度為20%、40%、60%與80%，閥芯升程6mm、12mm、18mm與24mm。在閥芯下降中，蒸汽流過(guò)閥芯是都有減壓增速的效果。隨著閥芯的下降，高速區(qū)域的范圍逐漸減小，且閥腔整體流速降低，進(jìn)出口流道內(nèi)的壓力越來(lái)越均勻。

3.2 開(kāi)啟過(guò)程數(shù)值模擬

3.2.1 程序編寫(xiě)和求解設(shè)置

閥門開(kāi)啟過(guò)程UDF程序如下，程序用來(lái)控制閥芯的運(yùn)動(dòng)，閥芯運(yùn)動(dòng)速度為0.003m/s，從10%開(kāi)度到全開(kāi)度運(yùn)動(dòng)時(shí)間為9s。對(duì)所有區(qū)域進(jìn)行初始化，迭代時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s，時(shí)間步數(shù)為900步，最大迭代數(shù)為500，設(shè)置每10個(gè)時(shí)間步對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)保存，開(kāi)始迭代運(yùn)算。

3.2.2 結(jié)果分析

在閥門開(kāi)啟前，閥門為10%開(kāi)度，流量為0.15kg/s。隨著閥芯向上運(yùn)動(dòng)，流量相應(yīng)增加。在開(kāi)啟過(guò)程的前半階段，流量增加較快，而在開(kāi)啟的后半階段，流量增加緩慢。閥門在開(kāi)啟過(guò)程結(jié)束時(shí)達(dá)到最大流量1.12kg/s。與關(guān)閉過(guò)程的分析相同，流量的變化受到閥芯形狀的影響，在開(kāi)啟過(guò)程的前半階段，閥門開(kāi)度較小，流量隨之變化較大。而在開(kāi)啟過(guò)程的后半階段，閥芯運(yùn)動(dòng)單位升程所引起的節(jié)流面積的變化較小，因而流量的變化小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先利用UDF程序控制閥門出口的壓力變化，得到了流量在出口壓力連續(xù)變化的條件下隨時(shí)間變化的情況。又利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)用UDF程序控制閥芯的運(yùn)動(dòng)，得到了流量在開(kāi)啟關(guān)閉過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。得到結(jié)論如下：

（1）閥門流量隨著進(jìn)出口壓差的連續(xù)變化而連續(xù)變化，且流量隨著壓差的減小而減小；在壓差較小時(shí)，流量的變化對(duì)壓差的變化更敏感。

（2）閥門開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程中，流量隨開(kāi)度的變化而變化，且流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開(kāi)度較小時(shí)，閥門流量的變化對(duì)閥芯的運(yùn)動(dòng)更加敏感。

參考文獻(xiàn)

[1]劉剛，方金春，雍歧衛(wèi).調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)特性的數(shù)值模擬[J].閥門，2004（4）：8-14.

[2]Johnson D A，King L S.Amathematical simple turbulence closure method for attached and seperated turbulent boundary layers.AIAA[J].1985，23（11）：1684-1692.

[3]石娟，姚征，馬明軒.調(diào)節(jié)閥內(nèi)三維流動(dòng)與啟閉過(guò)程的數(shù)值模擬及分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37（6）：498-502.endprint