紧急切断阀二维流场数值模拟

        紧急切断阀是槽罐车紧急切断装置中的主要安全附件，性能优良的紧急切断阀，是罐车上不可或缺的重要安全屏障。
        近年来，随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展，应用CFD方法对各种阀门的内部流场进行仿真计算和可视化分析，是流体机械领域新的研究热点之一，其研究成果对阀门结构参数的改进及其流道的优化设计，均具有重要的指导作用。
        本文运用CFD方法并采用Fluent软件，对阀口不同开口度、不同流量状态下的紧急切断阀的内部流场进行数值模拟分析，并依据可视化的分析结果得出紧急切断阀内部流场（速度分布、流场结构、漩涡的产生及消失等等）与噪声、能量损失机理之间的关系，从而为紧急切断阀内部流道的优化设计，提出理论依据。      
        1 模型的建立
        1.1 几何模型
        紧急切断阀的主要零部件，有阀体、阀芯、阀杆、液压启闭机构等，其结构见图1。

图1 紧急切断阀的结构图

        在正常情况下，紧急切断阀处于关闭状态。在罐车卸料时，通过启动液压闭启机构将其打开，卸料结束再将其关闭。卸料过程中，如出现管道破裂或脱落等紧急意外状况，导致介质流出的流量急剧增大，紧急切断阀将能够自行关闭，使物料不再外泄，这就是“过流保护”功能。
        1.2 数学模型
        假设：流体不可压缩，重力影响忽略不计，阀内流体为定常流动。在此情况下，阀内流体的二维流动控制方程如下：
        （1）连续性方程
        （1）
        （2）Nacier-Strokes方程（简称N-S方程）
        （2）    
        其中，
        ρ为流体密度；
        ux、uy分别为流体沿x轴、y轴方向的速度分量；
        p为流体压强；
        ν为流体运动粘度。
        2 计算网格与边界条件    
        2.1 网格划分
        计算网格由Fluent前处理器Gambit软件来生产，在Gambit里，通过点、线、面的顺序建立阀的二维模型，然后对线划分节点，再由面生成网格，网格采用的是四边形网格，最后定义边界条件，输出Fluent软件能识别的.msh文件。紧急切断阀网格划分如图2所示：

    
图2 紧急切断阀网格划分图

        2.2 边界条件     
        槽罐车运送的主要是液化石油气，液化石油气的主要成分为丙烷或者丁烷。本模型选择的流体为液化丙烷，温度为15℃，密度为507kg/m3，导热系数为32.4W·m-1·K-1比热容为80kg-1·K-1，运动粘度为110m2·s-1，流动状态为湍流，采用k-ε湍流模型。
        （1）入口条件。由于为不可压缩流体，且各工况下的流量为已知，在入口截面积一定的情况下，入口速度与流量呈正比关系，故入口采用速度入口，入口速度由各工况的流量确定，计算公式如下式：
        其中，Q——入口处的平均流量；S——入口处截面面积。
        本文选择两种工况，速度分别为7.6m/s和15.2m/s，开口为10mm和20mm开口两种情况。
        （2）出口条件。出口选择压力出口，其压力设定为1MPa。
        （3）壁面条件。流体与壁面接触的边界为静止壁面。
        3 计算结果分析
        3.1 相同边界条件不同开口度下数值模拟比较
        为了说明开口度对紧急切断阀内流场的影响，本文在给定边界条件，分析比较了流速相同，开口度不同时的计算结果。仿真结果如图3和图4所示（取流速为7.6m/s）。

（a）速度分布图

（b）压力分布图

（c）湍流动能分布图
图3 开口为10mm、流速为7.6m/s的仿真结果图

（a）速度分布图

（b）压力分布图

（c）湍流动能分布图
图4 开口为20mm、流速为7.6m/s的仿真结果图

        从给出的速度分布图、压力分布图及湍流动能分布图，我们可以看出：
        （1）通过紧急切断阀阀口时，由于过流断面面积突然减小，流速增大，压力减小。
        （2）从速度分布图（a）及湍流动能分布图（c）中，可以看到阀芯下部存在着漩涡区，随着开口度的增大，漩涡随之减少，而且阀芯下部的湍流动能也随之相应的减小。说明能量耗散与漩涡区的大小和过流断面大小有关，阀门开口越大，漩涡区越小，能量耗散越小；但是出口处的漩涡随开口增大而增大，这是由于阀的出口管道成45°角，引起内外壁速度不同而造成的，对内壁产生冲击，产生冲击噪声。
        （3）比较压力分布图（b），可以看到随着开口度的增大，流场内压力的最大值减小，阀芯上下压差减小，即局部压力降减小，能量耗散减小。
        3.2 相同开口度不同边界条件下的数值模拟比较
        为了说明在相同流动区域时，即开口度相同，流速对紧急切断阀内部流场的影响。本文计算了流速分别为7.6m/s和15.2m/s时的流场，开口为20mm。

（a）流速为15.2m/s时速度分布图

（b）流速为15.2m/s时压力分布图

（c）流速为15.2m/s时湍流动能分布图
图5 开口为20mm、流速为15.2m/s的仿真结果

        比较图4和图5，我们可以看出：
        （1）从速度分布和湍流动能来看，开口度一定，流速增大，紧急切断阀内流场和湍流动能分布基本没有变化，速度分布和湍流动能只是数值上的差异，说明在紧急切断阀内的漩涡分布的影响因素，主要是开口度不同，即通流面积影响。
        （2）从压力分布图来看，随着流速的增大，流场内的最大压力值增大，阀芯上下压差增大。
        4 结束语
        （1）数值仿真计算结果表明，紧急切断阀内部的漩涡和剧烈压力变化，是影响紧急切断阀性能和产生冲击的主要因素。因此，减小漩涡区域和降低局部压力降，将是对紧急切断阀进行结构改造时重点考虑的。
        （2）当开口度一定时，随着流速的增大，即流量的增大，阀芯上下压差增大，因此可以根据阀芯上下压差值，来计算紧急切断阀起过流保护时的流量值。
        （3）当流量一定时，随着开口度的增大，内部流场的速度变化减小，漩涡区域也减小，局部的压力降减小，能量耗散减小；但开口增大，流量随即增大，由阀的内部结构造成出口速度变大，产生大的漩涡。
        参考文献：
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