周宗和

(海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，湖北武漢 430060)

針對(duì)現(xiàn)有閥開啟快速性差、易卡死、噪聲大［1－4］等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型閥，新型單向閥［5－6］與俄羅斯閥在閥芯結(jié)構(gòu)上類似，同樣具有良好導(dǎo)流作用的尖錐頂端，主要的差異在于俄羅斯閥的進(jìn)氣流道上部有收縮口結(jié)構(gòu)，而新型單向閥為直道。同時(shí)，與現(xiàn)有閥相比，新型單向閥增大了閥芯長(zhǎng)度，擴(kuò)大了閥芯側(cè)壁溢流間隙，以及改變了四壁面溢流孔的直徑。

利用Fluent軟件［7］對(duì)該新型閥、現(xiàn)有閥及俄羅斯閥3種閥進(jìn)行流場(chǎng)仿真計(jì)算分析，經(jīng)歷了結(jié)構(gòu)分析、3維建模、網(wǎng)格劃分、仿真計(jì)算等主要過(guò)程，為探索超高壓條件下的有效仿真手段和計(jì)算公式及參數(shù)進(jìn)行了大量的分析和試驗(yàn)工作，最終順利完成了40 MPa條件下的流場(chǎng)仿真任務(wù)。

1 新型單向閥與現(xiàn)有閥的結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

如圖1所示，新型單向閥與現(xiàn)有閥的優(yōu)劣差異主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):

(1)與現(xiàn)有閥相比，增大了新型單向閥的閥芯長(zhǎng)度，使閥芯運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向性得到大大改善，有效避免了閥芯發(fā)生偏斜導(dǎo)致受力失衡而卡死的故障。

(2)增大了新型單向閥閥芯側(cè)壁溢流間隙，并增大了四壁面溢流孔的直徑。大幅提升了閥芯開啟過(guò)程中，閥芯背部困水區(qū)域海水溢流排出的能力，使閥芯運(yùn)動(dòng)速度大為提高，有效提高了閥門開啟的快速性。同時(shí)，側(cè)壁溢流間隙的增大，也使閥芯與導(dǎo)向筒壁間的接觸面積大為減小，有效減小了壁面間的摩擦力，對(duì)于防止閥芯卡死、提高閥芯開啟的快速性也具有極大的幫助。

(3)在完全開啟之后，新型單向閥的開度大于現(xiàn)有閥的開度，使得新型單向閥的空氣質(zhì)量流量要大于現(xiàn)有閥，并且在工作狀態(tài)下，新型單向閥的徑向偏載力要小于現(xiàn)有閥。

圖1 新型單向閥和現(xiàn)有閥結(jié)構(gòu)對(duì)比

2 新型單向閥與俄羅斯閥的結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

如圖2所示，新型單向閥與俄羅斯閥的閥芯結(jié)構(gòu)類似，同樣具有良好導(dǎo)流作用的尖錐頂端，主要的差異在于俄羅斯閥的進(jìn)氣流道上部有收縮口結(jié)構(gòu)，而新型單向閥為直道。由于收縮口的存在，俄羅斯閥進(jìn)氣道上的最小過(guò)流面積要大大小于新型單向閥，這嚴(yán)重影響了氣體的流通能力，在高壓差下氣體均是以相同的接近音速的勻速流動(dòng)，氣道的流通截面大則氣體的質(zhì)量流量大，所以相同通徑的俄羅斯閥單位時(shí)間的空氣流量要遠(yuǎn)小于新型單向閥，不利于以單位時(shí)間內(nèi)輸氣量最大為目標(biāo)的既定工作任務(wù)。

圖2 新型單向閥和俄羅斯閥結(jié)構(gòu)對(duì)比

3 3類閥的仿真對(duì)比分析

對(duì)該新型單向閥、現(xiàn)有閥和俄羅斯閥等3種閥進(jìn)行超高壓條件下的流場(chǎng)計(jì)算機(jī)仿真，仿真的三維模型用SolidWorks軟件建立，采用Fluent的前處理軟件Gambit劃分網(wǎng)格。其中，仿真計(jì)算模型選用穩(wěn)態(tài)三維模型，湍流模型選用的是k-ε Realizable模型。并且確定了計(jì)算邊界條件:流體入口為壓力入口(Pressure-inlet)，表壓為40 MPa，出口為壓力出口(Pressure-outlet)，表壓為4.5 MPa。

然后，分析其工作過(guò)程中的壓力、流量、噪聲等情況以及閥芯 (下閥盤)的受力情況，經(jīng)過(guò)對(duì)3種閥的流場(chǎng)深入對(duì)比分析，獲得以下結(jié)論。

3.1 壓力場(chǎng)仿真

在3、6、12 mm和最大開度4種情況下，分別對(duì)20通徑3種閥的壓力場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。圖3—5為3種閥在最大開度時(shí)壓力場(chǎng)分布情況。

圖3 閥口最大開度 (23.5 mm)時(shí)新型單向閥壓力場(chǎng)分布(徑向偏載力F1=9 N，軸向力F2=6 012 N)

圖4 閥口最大開度 (16 mm)時(shí)現(xiàn)有閥壓力場(chǎng)分布(徑向偏載力F1=396 N，軸向力F2=32 482 N

圖5 閥口最大開度 (23.5 mm)時(shí)俄羅斯閥壓力場(chǎng)分布(徑向偏載力F1=35 N，軸向力F2=5 344 N)

(1)由于開關(guān)閥氣體出口僅有一個(gè)且布置在容腔側(cè)壁，屬于非對(duì)稱結(jié)構(gòu)體，因此3種閥在氣體流動(dòng)時(shí)閥芯周圍壓力場(chǎng)分布不均勻，形成指向閥口的壓力梯度，造成持續(xù)有方向指向空氣出口的徑向偏載力，且該偏載力并非定值而是與閥芯開度呈非線性關(guān)系，對(duì)閥芯的運(yùn)動(dòng)造成嚴(yán)重影響。

(2)由壓力場(chǎng)仿真結(jié)果可知:在相同的進(jìn)氣壓力的條件下，在開度較小和閥完全開啟后，新型單向閥相比現(xiàn)有閥閥芯周圍壓力場(chǎng)分布比較均勻，造成的指向閥口的壓力梯度較小，因此對(duì)閥芯的徑向偏載力比現(xiàn)有閥小，閥芯運(yùn)動(dòng)所受阻力較小，更易于快速開啟。由于俄羅斯閥的收縮口有利于壓力差的均勻分布，俄羅斯閥閥芯所受的徑向偏載力也較小。

3.2 速度場(chǎng)仿真

在3、6、12 mm和最大開度4種情況下，分別對(duì)20通徑3種閥的速度場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。圖6—8為3種閥在最大開度時(shí)壓力場(chǎng)分布情況。

圖6 閥口最大開度 (23.5 mm)時(shí)新型單向閥速度場(chǎng)分布(進(jìn)口質(zhì)量流量:10.99 kg/s)

圖7 閥口最大開度 (16 mm)時(shí)現(xiàn)有閥速度場(chǎng)分布(進(jìn)口質(zhì)量流量:10.8 kg/s)

圖8 閥口最大開度 (23.5 mm)時(shí)俄羅斯閥速度場(chǎng)分布(進(jìn)口質(zhì)量流量:3.66 kg/s)

速度場(chǎng)仿真結(jié)果表明:

在高壓氣體通過(guò)閥芯與上閥腔間的開口進(jìn)入下閥腔后，新型閥及現(xiàn)有閥均會(huì)產(chǎn)生明顯的氣流漩渦，增加了氣體流動(dòng)的湍流程度，使下閥腔壓力場(chǎng)處于快速擾動(dòng)變化狀態(tài)，導(dǎo)致閥芯受到的徑向偏載力也時(shí)刻在擾動(dòng)變化，閥芯與導(dǎo)向的壁面間也存在一定的間隙，在交變的偏載力作用下相互間不斷碰撞發(fā)出高頻噪聲。

在相同的進(jìn)氣壓力及閥口開度條件下，新型單向閥和俄羅斯閥由于尖錐頂端的導(dǎo)流作用，在下閥腔僅在閥芯頂端分界面以上產(chǎn)生一個(gè)大的氣流漩渦，分界面以下呈現(xiàn)層流流動(dòng)，而現(xiàn)有閥由于閥芯無(wú)導(dǎo)流面且呈直角外形，氣體流過(guò)后在分界面以上及以下各產(chǎn)生一個(gè)漩渦，增大了氣流在下閥腔內(nèi)的湍流程度，增大了閥芯的徑向偏載力。

俄羅斯閥進(jìn)氣流道上部有收縮口結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)仿真結(jié)果表明該收縮口具有一定的對(duì)氣流加速能力。但是，與新型單向閥相比，俄羅斯閥的流速大流量卻要小很多，主要原因在于收縮口雖然對(duì)氣體有加速作用，但畢竟是減小了通流截面，對(duì)氣體有節(jié)流作用。

3.3 噪聲場(chǎng)仿真

在3、6、12 mm和最大開度4種情況下，分別對(duì)20通徑3種閥的噪聲場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算。圖9—11為3種閥在最大開度時(shí)壓力場(chǎng)分布情況。

圖9 閥口最大開度 (23.5 mm)時(shí)新型單向閥噪聲分布

圖10 閥口最大開度 (16 mm)時(shí)現(xiàn)有閥噪聲場(chǎng)分布

圖11 閥口最大開度 (23.5 mm)時(shí)俄羅斯閥噪聲分布

噪聲場(chǎng)仿真分析表明:首先應(yīng)說(shuō)明噪聲場(chǎng)的仿真結(jié)果只能描述由于氣體流動(dòng)引起的噪聲情況，不能得到閥芯在交變徑向偏載力作用下與壁面撞擊產(chǎn)生的噪聲情況。噪聲場(chǎng)的仿真結(jié)果表明:氣體流動(dòng)產(chǎn)生的噪聲主要發(fā)源于壓縮空氣流過(guò)閥芯與閥口間的間隙后至出口間的空間，該處湍流度非常高因而氣動(dòng)噪聲突出。仿真結(jié)果對(duì)比表明:在3種閥的開啟過(guò)程中，噪聲范圍相差不大。而在3種閥完全開啟進(jìn)入工作后，與現(xiàn)有閥相比，新型單向閥由于有閥芯尖錐導(dǎo)流帽等合理的結(jié)構(gòu)，流場(chǎng)湍流度較小因而較高噪聲范圍較小;俄羅斯閥雖然也有尖錐導(dǎo)流帽的引流作用，但由于有收縮口的存在氣體流速相對(duì)較高，也將產(chǎn)生比新型單向閥更大的噪聲。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)際應(yīng)用，并與現(xiàn)有閥和俄羅斯閥進(jìn)行對(duì)比，由于新型單向閥采用了創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的參數(shù)，有效解決了原現(xiàn)有閥開啟快速性差、易卡死、噪聲大的缺點(diǎn)，性能和可靠性得到了大幅提高。與俄羅斯閥比較，在具有和其類似的優(yōu)良?xì)鈩?dòng)和結(jié)構(gòu)特性的同時(shí)，有效增大了單位時(shí)間的空氣流量，使進(jìn)氣效率得到大幅提高，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述仿真對(duì)比分析的研究結(jié)果。

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