燃氣安全自閉閥設計與流場分析

李文慶， 陳方仁， 林仕杰， 錢錦遠， 金志江*

(1.浙江大學 化工機械研究所， 浙江 杭州 310027；2.浙江萬得凱流體設備科技股份有限公司， 浙江 玉環 317609)

燃氣安全自閉閥(以下簡稱自閉閥)能夠通過感知管道內氣體壓力的變化，進而控制流量大小和閥門開閉，具有反應速度快、結構簡單緊湊、無需外部能耗的優勢[1]。近年來，我國天然氣工程得到快速發展，全國天然氣用戶數量逐年增長，針對數量如此龐大的天然氣用戶群，研制一種性能優良且安全穩定的自閉閥具有極其重要的意義[2]，筆者針對現有自閉閥仍然存在的安全隱患，對其結構進行改進，并提出了一種基于FLUENT軟件的自閉閥全流程動態特性分析方法。

在役自閉閥在較大時間范圍內的工況都是復雜和不穩定的，如連接端松動老化，不合理開關燃氣及違規的管道連接等，都會導致管道壓力的波動，無法將管道內的燃氣流量精確地限制在安全區間內，嚴重則會引發燃氣泄漏、倒流和爆炸[3]。

迄今為止，研究人員已經對自閉閥進行了大量研究。王凡等[4]在對管道燃氣自閉閥使用前后性能變化的研究中，探究了自閉閥性能下降的主要誘因，并通過提高提桿行程精度或提高膜片回彈性提升閥門的機械性能。車立新等[5]通過對居民燃具耗氣量變化影響因素分析及自閉閥流量影響因素研究,確定了與燃具熱負荷匹配的自閉閥切斷流量。

數值仿真作為研究流體復雜流動的重要工具，在閥門流場分析中有著廣泛應用。ZHANG等[6]詳細討論了往復式壓縮機內部流動和熱動力特性，并提出利用這些曲線評定壓縮機熱工性能的方法。SHEVCHENKO等[7]利用ANSYS分析軟件采用多種有限元方法來解決特征頻率確定問題的可行性。WU等[8]分析了流體力對動態特性的影響，并對結構進行了優化,通過理論分析和數值仿真，建立了伺服閥的數學模型。LUDWIG等[9]使用仿真方法對不同的環形密封進行了廣泛的實驗研究，以確定環形密封對轉子動力學影響。

許多學者在研究過程中，曾運用計算流體力學方法(CFD)研究自閉閥開啟過程中閥體不同位置的流體壓差變化情況[10-11]，從而分析不同介質在出口處的壓力、閥芯開孔大小和進口處介質流速對閥芯表面流體壓力差的影響。使用FLUENT軟件[12]仿真模擬，可以實現壓差的計算,并利用壓差的大小,控制閥芯的運動,模擬出閥門的開啟過程,得出閥門開閉的全流程，為進行閥門系統的分析提供數值方法。通過對閥門流場的分析,能夠得出自閉閥的主要阻力損失區域,繪制閥芯隨時間運動的曲線[13]，從而為閥門進一步的優化設計提供理論依據。筆者提出的自閉閥能夠在管道入口處壓力出現欠壓、超壓時，自動切斷燃氣流動通道，使用基于FLUENT軟件動態特性分析方法將流量精確調控在設定范圍之內，并進行全流程的閥內流場仿真模擬分析。

1 自閉閥結構分析

如圖1所示，自閉閥由基礎閥體、活動部件、欠壓保護裝置和超流切斷裝置組成。欠壓保護裝置在燃氣管線出現異常的壓力降低時起到切斷燃氣通路的作用；超流切斷裝置在燃氣管線出現異常的流量增大或者壓力升高時起到切斷燃氣通路的作用。同時超流切斷裝置的彈簧具有溫敏的特性，可實現超溫保護的功能。欠壓保護裝置包括閥塞蓋、閥桿、彈簧Ⅰ和支板等零件。閥塞蓋和支板均為閥體內部徑向封閉的板狀結構，閥桿上套設有彈簧Ⅰ；超流切斷裝置由支架、彈簧Ⅱ、導桿和導磁套組成，支架上連接有能軸向伸縮的彈簧Ⅱ，彈簧Ⅱ與導桿連接；超流切斷裝置右側有閥塞，閥體外部套設能沿閥體軸向移動的活動套，活動套固定有磁環，導磁套能隨磁環沿導桿移動。自閉閥無需額外的動力，在不同的故障發生時，便可自行啟動，整個過程無需人為操作。

1—閥體；2—閥塞蓋；3—彈簧Ⅰ；4—閥桿；5—支板；6—閥塞套；7—支架；8—彈簧Ⅱ；9—導桿；10—導磁套；11—彈簧Ⅲ；12—磁環；13—活動套。

當自閉閥處于正常的供氣范圍時，在燃氣壓力的作用下，推動欠壓保護裝置的閥桿向出口側移動，閥塞蓋的中心孔打開，彈簧Ⅰ逐漸壓緊，當彈簧Ⅰ提供的彈力和燃氣的壓力相同時，閥桿的位置穩定。氣體推動導磁套和導桿同步向出口側移動，彈簧Ⅱ逐漸拉伸，當彈簧Ⅱ的拉伸力與氣體壓力相同時，導桿的位置穩定，此時導桿與閥體出口側的中心孔之間留有間隙，允許氣體依次通過閥蓋的中心孔、支板、支架、導磁套的中心孔、閥體靠近出口側的中心孔，從出口流道排出，燃氣正常供送。

當低于正常供氣范圍時，閥桿上受到的氣體壓力變小。閥桿在彈簧Ⅰ的彈力下向入口側移動，將閥塞蓋的中心孔完全封閉，切斷氣體通路。當高于正常供氣范圍時，導磁套受到的氣體壓力變大，導桿在氣體壓力的作用下向出口側移動，將閥體出口側的中心孔完全封閉，切斷氣體通道。當燃氣壓力恢復正常時，推動導磁套，通過磁環的磁力使導磁套帶動導桿向燃氣入口側移動，即實現超流切斷裝置的復位。當出現異常的溫度升高時，超流切斷裝置的彈簧Ⅱ具有溫敏特性，在高溫下會失去彈力，此時導桿兩端的作用力會發生變化，在燃氣推力的作用下導桿會壓緊閥體出口側的中心孔，燃氣通路關閉，從而實現超溫保護的功能。

2 自閉閥流場分析

對設計的自閉閥在正常工況及啟閉工況下的閥內流場進行了仿真計算。為保證閥內燃氣流動的充分發展，閥前管道的長度設置為210 mm，閥后管道的長度設置為90 mm。首先進行閥內流道的抽取，然后進行閥內流域的離散化。筆者采用混合網格的劃分策略對閥內流域進行離散化，在閥前入口管道、欠壓保護裝置、超流切斷裝置和閥后管道處采用結構化網格進行網格劃分，總網格數為924 892，節點數為856 430。離散化網格模型如圖2所示。

圖2 自閉閥內流域網格劃分Figure 2 Meshing of self-closing valve

閥內介質為甲烷，其溫度為常溫300 K，氣體的可壓縮性不可忽略，因此將甲烷看做是理想可壓縮氣體進行研究。自閉閥入口和出口均設置壓力邊界，入口壓力為2 000 Pa，出口壓力為0 Pa；流體域壁面設置為無滑移邊界條件。在計算自閉閥在正常工況下的流動狀態時，面向穩態解，并忽略重力。在計算自閉閥啟閉過程的流動狀態時，面向瞬態解，并忽略重力。

以上方程的求解借助商用求解器FLUENT依照SIMPLE算法完成。求解器類型選用密度基，近壁面流動采用標準壁面函數描述。離散方程的節點之間動量、湍動量與湍流耗散率的差值依照二階迎風格式，壓力的差值依照二階格式，梯度量的差值依照基于最小二乘網格格式。計算過程中，當滿足以下2個條件時，可認為計算達到收斂：①各物理量的殘差小于10-3；②閥門入口面平均流量保持恒定，或波動低于1%。

正常工況時閥內流域的速度分布如圖3所示。速度較大的位置一處在欠壓裝置的中心孔附近，另一處在閥體靠近出口側中心孔附近，其他區域的介質流速較小。在欠壓裝置的中心孔處，燃氣流通面積經歷先變小再變大的過程，導致中心孔內的流速增加，在閥桿的凸臺附近會產生渦，渦的存在增加了能量的耗散，在閥桿的末端也會有渦的存在。同樣在閥體靠近出口側中心孔附近，燃氣流通面積會急劇地縮小，流通面積的劇烈變化會使流速急劇增加，使得中心孔附近的流速相較于其他區域有明顯的增大，在中心孔后的管道流域中，管道中心區域的流速較大，而四周的區域其流速較小，并在四周區域產生較大的渦。

圖3 自閉閥內正常工況時閥內速度分布Figure 3 Velocity distribution in self-closing valve under normal working condition

圖4展示了自閉閥內流域各位置的最大速度和域平均速度。燃氣在流經欠壓保護裝置的中心孔時，燃氣的最大速度會顯著增大，最大流速為29.43 m/s；在通過此處的中心孔后，燃氣的最大流速會緩慢地下降，直至通過流道閥體靠近出口側的中心孔后，由于流通面積的急劇減小，燃氣的最大流速顯著增大，最大流速可達74.96 m/s；在流經閥體靠近出口側的中心孔后，燃氣的最大流速會迅速地降低直至達到穩定的水平。對閥內流域的速度求均值，從閥內的域平均速度可以看出：在通過超流切斷裝置的支架后，域平均速度有顯著增大。

圖4 自閉閥內各個位置最大速度和域平均速度Figure 4 Maximum velocity and average velocity of each position in self-closing valve

在自閉閥啟閉過程的動態分析中，燃氣自閉閥入口處設置階躍壓力入口邊界。在0.00～0.01 s時，其入口壓力為0 Pa；在0.01～0.03 s內，其入口壓力為2 000 Pa。圖5所示為欠壓裝置的閥桿從開始動作到第1次到達平衡位置的位移曲線，第1次到達平衡位置的間隔時間為0.013 8 s，其后的往復運動過程圖中沒有列出。在閥桿運動過程中，其速度是逐漸增加的，隨著燃氣壓力的變化，其開啟響應時間為0.013 8 s。

圖5 自閉閥內欠壓裝置閥桿隨時間的位移Figure 5 Displacement of guide rod in self closing-valve with time

圖6所示為欠壓裝置閥桿受力狀態隨時間變化曲線。需要注意的是，彈簧力和燃氣壓力對閥桿的作用方向是相反的。從圖中可以看出，隨著欠壓裝置閥桿的位移變化，其所受的燃氣壓力是基本保持不變的，即欠壓裝置附近的燃氣壓力基本不發生變化；隨著欠壓裝置閥桿位移的增加，其所受到的彈簧力是逐漸增加的，且變化量隨速度的增大而不斷地增加；這使得閥桿所受到的合力是不斷減小的。在0.023 8 s時，閥桿受到的燃氣壓力和彈簧力是相等的，由于二者方向相反，故而閥桿受到合力為零。由于慣性力的作用，閥桿會在平衡位置處發生往復運動，其運動位移會逐漸減小，最終會穩定在平衡位置。

圖7所示為0.02 s時截面A及截面C的速度分布。對于截面A來說，由于欠壓裝置閥桿的存在，使得截面中心的速度為0 m/s，截面的速度分布呈四周區域較高，自閉閥壁面和中心區域的速度較低；對于截面C來說，其分布規律與截面A恰好相反，由于通流面積的急劇縮小，使得閥體靠近出口處中心孔內的流速急劇增大，而四周由于壁面的黏性作用使得其流速較低，中心最高流速可達74.96 m/s，截面速度變化較大。

圖7 0.02 s時截面A和截面C的速度分布Figure 7 Velocity distribution of section A and section C at 0.02 s

在自閉閥欠壓保護裝置逐漸開啟的過程中，欠壓裝置中心孔處的流場隨閥桿位移的速度變化如圖8所示。隨著閥桿位移的增加，中心孔與閥桿端面之間的間隙逐漸增大，中心孔內的介質流速也隨之增加。在中心孔與閥桿端面之間的間隙較小時，閥桿端面邊緣處還未產生渦，但隨著間隙的增加，閥桿端面邊緣會產生渦，這會增加閥桿運動的不穩定性，一定程序上影響了自閉閥的調節精度。隨著閥桿位移的增加，閥桿端面速度隨之增加，流量也隨著增加。

圖8 自閉閥隨閥桿位移的流場速度變化Figure 8 Flow field velocity variation of self-closing valve with guide rod displacement

3 結論

筆者設計了一種新型的燃氣安全自閉閥結構，由基礎閥體、活動部件、欠壓保護裝置和超流切斷裝置組成。采用數值模擬和動網格技術對自閉閥正常工作和啟閉時的流場進行了分析，主要得出了以下結論：

1) 自閉閥在燃氣管線出現異常如管道欠壓、流量異常增大和溫度異常升高時，可及時切斷燃氣管線通路，實現欠壓保護、超流切斷和超溫保護的功能，有效阻止燃氣安全事故的發生；

2) 設計的自閉閥最高流速發生在閥體靠近出口的中心孔處，最大流速為74.96 m/s，流阻較小，出口壓力和流量穩定，可滿足用戶的用氣需求；

3) 自閉閥的欠壓裝置啟閉時間為0.013 8 s，可在燃氣管線出現異常工況時實現燃氣通路的快速切斷，保護用戶的燃氣安全；

4) 欠壓裝置閥桿附近有較多的渦存在，直接導致閥桿運動不穩定性的增加，影響了自閉閥的調節精度，未來應加強閥桿形狀與流場的作用機制研究。