徐志鵬，郭 婧，李瀾吉，2，謝代梁

(1.中國計量大學浙江省流量計量技術研究重點實驗室，杭州310018；2.北海船舶重工有限責任公司，山東 青島266520)

pVTt(壓力p體積V溫度T時間t)法氣體流量標準裝置的構(gòu)成如圖1所示，其工作原理為：在時間間隔t內(nèi)，氣體進入或者排出容積為V的標準容器，依據(jù)進排氣前后氣體的壓力p和溫度T以及氣體狀態(tài)方程，從而計算出進排氣的氣體流量[1]。準確度高、重復性好、設備簡單且易于維護等優(yōu)點，在中國、美國、英國、日本等多個國家被用做原級標準裝置，主要用于檢定臨界流噴嘴[2－4]。pVTt流量計量的不確定度主要來源于時間、容器容積以及氣體密度計算，而時間計量的不確定度主要源于進氣閥門開啟及關閉過程中進氣流量與穩(wěn)態(tài)流量的差異，在實際操作中通常采用修正閥門啟閉時間來補償這部分差異[5]。

圖1 pVTt氣體流量標準裝置示意圖

為減少時間計量的不確定度，目前主要有兩種方案：一是盡量提高進氣閥的響應速度，使入口氣體盡快建立臨界流；二是如NIST所采用的三通閥加雙容器方案，氣體進過音速噴嘴后首先進入緩沖容器，待建立穩(wěn)定的臨界流后再通過三通閥將氣體流向?qū)霕藴嗜萜鳎瑥亩鴮崿F(xiàn)臨界流的“無縫切換”[6]。

由于pVTt原級標準裝置通常需要匹配DN100以上的音速噴嘴檢定，對應的進氣閥門尺寸較大，常規(guī)的氣缸或電機控制模式切換時間較長，提高響應速度比較可行的是采用單位體積功率比較高的液壓控制方式[7]；另一方面，采用三通閥進行臨界流切換，其微觀過程一直缺乏深入研究，切換效果是否能夠達到預期、三通閥門切換中間狀態(tài)采用互相不通的“非重疊”模式還是互相連通的“重疊”模式等都未見有研究報道。“無重疊”模式下，三通閥在其中一個通道完全關閉后再連通另一個通道，其互不連通的過渡狀態(tài)是否會導致氣流的“阻塞”使得臨界流消失?對于“重疊”模式，雖然避免了可能的“阻塞”過程，但短時間三個方向互通過程中，由于三邊的氣體壓力、溫度均不同，此時入口氣體是否仍為臨界流、入口氣體如何向兩個出口分配?由于氣體流動的復雜性，常規(guī)一維方法難以結(jié)算。

為此本文一方面提出一種液壓驅(qū)動的快開三通閥，并針對閥門切換過程進行流場仿真，研究氣體在閥門動作過程中臨界流的建立和切換情況，并對比分析“非重疊”模式與“重疊”模式。

1 快開三通閥結(jié)構(gòu)與工作原理

所設計的快開三通閥的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，閥口通徑為DN 150 mm，一側(cè)單入口與上游音速噴嘴連通，另一側(cè)兩個出口分別連接下游緩沖容器和標準容器。通過液壓缸驅(qū)動閥芯由此可以更加細致的了解三通閥的工作過程：上下端蓋的兩個管道口分別與pVTt法氣體流量標準裝置中的緩沖容器和標準容器相連接，閥芯孔板與端蓋上兩個出口重合時即可實現(xiàn)入口與對應的緩沖容器或標準容器連通。液壓缸的伸縮動作通過曲拐、支撐桿、支撐帽以及轉(zhuǎn)軸的共同作用，轉(zhuǎn)換成為閥芯的旋轉(zhuǎn)運動，因此通過液壓缸的伸縮控制實現(xiàn)對三通閥工作狀態(tài)的切換[8－9]。

圖2 快開三通閥結(jié)構(gòu)示意圖

該快開三通閥的液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由油源以及相應的控制閥門構(gòu)成，系統(tǒng)原理圖如圖3所示。系統(tǒng)額定工作壓力為10 MPa，活塞缸直徑為D＝50 mm、d＝36 mm，蓄能器充氣壓力為8.3 MPa，充氣體積為0.63 L。設計動作時間為50 ms。

圖3 快開三通閥的液壓系統(tǒng)原理圖

2 仿真模型與仿真設置

真實的閥門結(jié)構(gòu)零部件較多，完全建模難度很大且并無必要。對于本文所關心的切換過程流場而言，主要建模對象為從臨界流噴嘴開始的入口到三通閥出口部分的流道，其余的密封裝置、固定裝置以及標準容器和緩沖容器加以忽略[10]。

圖4 快開三通閥的流場仿真模型網(wǎng)格圖

在ICEM CFD中創(chuàng)建二維幾何模型，并劃分網(wǎng)格[11]，由于模型比較簡單，只有近壁面和拐點的地方采用的網(wǎng)格的加密，整個模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分方式，在驗證網(wǎng)格無關性的基礎上，所劃分網(wǎng)格如圖4所示，模型網(wǎng)格數(shù)有6萬左右，其中90%以上的網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)優(yōu)于0.4。閥口遮蓋部分采用一個方形區(qū)域模擬，通過仿真過程網(wǎng)格的運動模擬閥門狀態(tài)的切換。

仿真過程分為兩個階段：

①臨界流建立過程，音速噴嘴與緩沖容器連通，標準容器出口關閉，這一過程屬于定常壓縮流動，選用密度(density)穩(wěn)態(tài)(steady)求解器。湍流模型選取的是Realizable k－e模型。其他參數(shù)保持系統(tǒng)默認不變，啟用能量計算方程。

②閥門切換過程，在建立臨界流之后，切換閥門通道以及氣體流向，使臨界流導入標準容器，這一過程屬于非定常壓縮流動，選用密度(density)非穩(wěn)態(tài)(unsteady)求解器。湍流模型選取Realizable k－e模型。同時激活動網(wǎng)格模型。其他參數(shù)保持系統(tǒng)默認不變，打開能量計算方程。

采用壓力入口和壓力出口的設置，其壓力入口為總壓101 300 Pa，靜壓53 486 Pa，壓力出口總壓2 800 Pa。

動網(wǎng)格設置采用網(wǎng)格層鋪(layering)來實現(xiàn)，真實閥芯的運動為變速過程，此處采用勻速過程進行簡化模擬，通過UDF編寫運動函數(shù)模擬遮蓋部分運動軌跡[12－14]。

3 “非重疊”模式仿真結(jié)果分析

定常過程的速度云圖如圖5所示，可以看出在該階段，氣體進過臨界流噴嘴后建立了較為穩(wěn)定的臨界流，喉部流速為音速，經(jīng)過噴嘴的擴展段以后速度達到峰值。穩(wěn)定的臨界流為后續(xù)切換過程的初始狀態(tài)。

圖5 穩(wěn)定流動過程速度云圖

切換過程根據(jù)閥門的工作模式分為不同的階段，在“非重疊”模式下，0～25 ms為緩沖容器通道逐漸關閉過程，標準容器通道始終關閉，在25 ms時為互不連通狀態(tài)，25 ms～50 ms階段為標準容器通道逐漸打開過程，緩沖容器通道始終關閉。

限于篇幅，此處分別截取 12.5 ms、25 ms、37.5 ms以及50 ms四個時間節(jié)點的仿真結(jié)果進行分析，對應的速度云圖如圖6所示。

圖6 “非重疊”模式閥門切換速度云圖

從中可以看出：①三通閥切換過程對音速噴嘴喉部的臨界流沒有影響，即使在25 ms兩個出口均關閉的瞬間也保持了臨界流，可知在出口面積較小的過渡階段氣體在壓差的作用下進入了閥體內(nèi)部空間；②在切換前后在兩個管道口處的速度分布圖基本保持一致，說明三通閥實現(xiàn)了臨界流的順利導流，從而證明了三通閥門用于pVTt切換的可行性。

在0～50 ms的完整閥門切換過程中，兩個出口的流量曲線如圖7所示，可以看出閥門切換過程兩個出口的流量曲線均有一定的波動，另外，通向標準容器的流量在開啟的后段流量較大，說明在切換階段出口變小，氣體在閥體內(nèi)部有一定“緩存”，也解釋了噴嘴處臨界流并未因為閥門切換而中止。

圖7 閥門切換過程出口流量曲線

4 “重疊”模式仿真結(jié)果分析

對于切換過程互相連通的“重疊”模式，閥芯需要運動的角度比“非重疊”模式至少減少一半，因此在仿真中將切換時間也相應減半，即25 ms內(nèi)完成出口切換。取對應的中間狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)速度云圖如圖8所示，從中可以看出：①閥門在“重疊”模式切換過程中也不會對音速噴嘴喉部的臨界流產(chǎn)生影響，都能實現(xiàn)較好的臨界流切換；②切換過程的流場對比“非重疊”模式要更穩(wěn)定，閥體內(nèi)的氣流沒有明顯的“阻斷”現(xiàn)象。

“重疊”模式閥門切換過程中兩個出口的質(zhì)量流量變化曲線如圖9所示，可以看出：①在緩沖容器關閉過程中，“非重疊”模式的變化趨勢與“重疊”模式比較相近，都是階段性的下降最后趨近于0；②對比“非重疊”模式，“重疊”模式切換過程流向標準容器的氣體流量波動較小，與速度云圖中現(xiàn)象一致；③伴隨著閥門開始動作，兩個出口的流量同時開始變化，直到完全切換結(jié)束，即在整個切換過程中進氣氣流向兩個出口同時流動。

圖8 “重疊”模式閥門切換速度云圖

圖9 “重疊”模式閥門切換過程出口流量曲線

5 結(jié)論

本文設計了用于pVTt氣體流量標準裝置的液壓驅(qū)動快開三通閥，通過液壓系統(tǒng)的高能量密度和液壓油的不可壓縮性實現(xiàn)閥門的快速切換。針對切換過程的流場仿真表明：①所設計的三通閥不管是在“非重疊”模式還是“重疊”模式下工作，都能實現(xiàn)保證切換過程中音速噴嘴臨界流不中斷，能夠達到預期的效果，減少進氣階段的不確定性；②在“非重疊”模式切換過程，標準容器出口流量存在一定的波動，但相對于“重疊”模式，其不存在互相連通的過程，進入標準容器的氣體流量可以較為的計量，因此“非重疊”模式更為合理。