趙彥賓,張健平,張松,但志宏,王曦,鄧堯
(1.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院制造過(guò)程測(cè)試技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽(yáng) 621010;2.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司四川燃?xì)鉁u輪研究院,四川綿陽(yáng) 621703;3.中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司四川燃?xì)鉁u輪研究院高空模擬技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽(yáng) 621703;4.北京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,北京 100191;5.先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100191)
航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)臺(tái)(簡(jiǎn)稱高空臺(tái))是用來(lái)模擬航空發(fā)動(dòng)機(jī)在高空中不同高度下不同工作狀態(tài)的試驗(yàn)設(shè)備。想要研制出世界領(lǐng)先水平的航空發(fā)動(dòng)機(jī),必然得先擁有一個(gè)屬于我們國(guó)家自己的高空臺(tái)[1]。大口徑特種閥是高空臺(tái)的一個(gè)主要調(diào)節(jié)閥,其主要功能是保證進(jìn)氣系統(tǒng)的溫度和壓力及時(shí)達(dá)到發(fā)動(dòng)機(jī)飛行環(huán)境所對(duì)應(yīng)的溫度和壓力[2-3]。然而,該大口徑特種閥引自俄羅斯,有關(guān)大口徑特種閥的流動(dòng)特性資料缺乏[4-5],很難準(zhǔn)確地描述流量與溫度和壓力的變化規(guī)律,致使在高空臺(tái)模擬試驗(yàn)過(guò)程中,特種閥調(diào)節(jié)控制進(jìn)氣系統(tǒng)的壓力和溫度精度不高,其結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果存在較大差異,最大誤差可達(dá)15%。因此,許多研究人員針對(duì)大口徑特種閥流動(dòng)特性和流量特性進(jìn)行了大量的研究。裴希同等[3]分析大口徑特種閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和數(shù)學(xué)模型之后,提出了一種經(jīng)驗(yàn)公式實(shí)現(xiàn)了流量系數(shù)的快速迭代計(jì)算。朱美印等[6]結(jié)合少部分的試驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)過(guò)去噪后獲得了特種閥流量系數(shù)對(duì)角分布稀疏數(shù)據(jù)表,建立了特種閥流量特性的數(shù)學(xué)模型,降低了流量系數(shù)誤差??娍聫?qiáng)等[7]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正特種閥流量特性的方法,修正獲得了流量特性模型。以上特種閥流量特性是基于少部分試驗(yàn)數(shù)據(jù),通過(guò)理論計(jì)算分析對(duì)原有的流量系數(shù)進(jìn)行修正,其研究結(jié)果為進(jìn)行一步研究提供了非常有價(jià)值的理論基礎(chǔ),可是由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)有限性和特種閥結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,還需進(jìn)一步探索特種閥內(nèi)部流動(dòng)特性,以進(jìn)一步完善特種閥流量特性變化規(guī)律。
大部分研究人員通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)特性。何慶中等[8]利用CFX軟件數(shù)值模擬分析了蝶閥流動(dòng)特性,發(fā)現(xiàn)開度為5%~30%時(shí),閥門下游會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的渦街現(xiàn)象,基于此優(yōu)化設(shè)計(jì)了蝶板結(jié)構(gòu)。ZHOU等[9]利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地評(píng)估了蝶閥的流量系數(shù),建立了流動(dòng)特性模型。NAVEEN等[10]通過(guò)CFD分析了雷諾數(shù)、閥門開度對(duì)傳統(tǒng)蝶閥流動(dòng)特性的影響,對(duì)壓力損失系數(shù)進(jìn)行了評(píng)估。馮衛(wèi)民等[11]通過(guò)Fluent軟件分析了雙偏心蝶閥、單偏心蝶閥、桁架式蝶閥和龜背式蝶閥的流動(dòng)特性,揭示了不同蝶閥的過(guò)流特性。許洪斌等[12]利用CFD方法模擬分析了滑板式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)特性,獲得了不同開度下壓力和速度分布,預(yù)測(cè)了閥門出現(xiàn)空化現(xiàn)象的位置。張松等人[13]通過(guò)對(duì)蝶閥進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性理論分析和流動(dòng)特性的數(shù)值模擬仿真研究,準(zhǔn)確描述了蝶閥內(nèi)部流場(chǎng)特性。張賢等人[14]運(yùn)用Fluent軟件對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬分析,推測(cè)出閥內(nèi)低頻段的速度波動(dòng)是導(dǎo)致閥內(nèi)噪聲和流致振動(dòng)的重要原因。陶國(guó)慶等[15]利用CFD方法模擬分析了迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)特性,獲得了壓力和速度分布規(guī)律,揭示了流量特性。王偉波等[16]運(yùn)用Fluent仿真軟件對(duì)不同開度下的套筒調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了模擬試驗(yàn),得到了流量特性曲線,與其理論高度吻合。馬光飛等[17]運(yùn)用Fluent軟件對(duì)球閥進(jìn)行了模擬分析,得到了球體間隙對(duì)于球閥性能和內(nèi)部流動(dòng)特性的影響。
綜上所述可知,由于試驗(yàn)條件和成本的限制,研究人員主要基于少部分試驗(yàn)數(shù)據(jù),結(jié)合理論分析修正了特種閥流量系數(shù)模型,除此之外通過(guò)數(shù)值模擬方法分析其他各種調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)特性,但沒(méi)有詳細(xì)研究特種閥內(nèi)部流動(dòng)特性的研究結(jié)果。因此,本文作者擬采用理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,分析特種閥內(nèi)部流動(dòng)特性,綜合考慮特種閥的結(jié)構(gòu)特性和閥門前后管道特性,揭示壓比和開度對(duì)閥內(nèi)壓力、速度的影響規(guī)律,為特種閥的工程應(yīng)用提供理論依據(jù),也為航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試車臺(tái)提供準(zhǔn)確的特種閥流量特性模型。
1.1.1 物理模型
文中研究對(duì)象是DN2000的大口徑特種閥,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,可以看出:特種閥由前殼體、中間殼體和后殼體三部分組成。其中前殼體由二級(jí)、四級(jí)和八級(jí)閥瓣盤組成;中間殼體是一個(gè)固定圓盤,圓盤被平均分成32等份,每一份所占角度為11.25°,其中16份為流體通過(guò)區(qū)域;后殼體由無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤組成。特種閥前殼體二級(jí)、四級(jí)和八級(jí)閥瓣盤之間開關(guān)組合可以使無(wú)級(jí)盤具有多種調(diào)節(jié)能力,既可以實(shí)現(xiàn)小流量下的精確調(diào)節(jié),又可以實(shí)現(xiàn)大流量下的快速調(diào)節(jié),其中二級(jí)、四級(jí)和八級(jí)閥瓣盤處于全開狀態(tài)時(shí),無(wú)級(jí)盤調(diào)節(jié)的流通面積才能達(dá)到100%,因此,文中針對(duì)前殼體3個(gè)閥瓣處于全開狀態(tài),轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤對(duì)特種閥的開啟進(jìn)行研究。無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤開度與其轉(zhuǎn)動(dòng)角度關(guān)系如式(1)所示,其中90°為全開對(duì)應(yīng)于無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度11.25°。
圖1 特種閥的結(jié)構(gòu)示意
(1)
式中:α為無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤轉(zhuǎn)的角度,(°);Vp為特種閥的開度,(°)。
1.1.2 網(wǎng)格劃分
為了提高數(shù)值模擬分析的網(wǎng)格質(zhì)量,對(duì)實(shí)際閥瓣內(nèi)部腔道進(jìn)行合理簡(jiǎn)化,去除閥瓣結(jié)構(gòu)中幾何尺寸較小且數(shù)值模擬精度無(wú)影響但會(huì)影響網(wǎng)格劃分質(zhì)量的細(xì)節(jié)特性,比如倒角、凹槽、螺栓孔、墊片等,得到簡(jiǎn)化后的特種閥物理模型。
如圖2(a)所示。根據(jù)GB/T 17213.9—2005《工業(yè)過(guò)程控制閥第2-3部分:流通能力試驗(yàn)程序》,文中整個(gè)流體域包括閥前2D(D為特種閥管道通徑)長(zhǎng)的管道、特種閥和閥后6D長(zhǎng)的管道,如圖2(b)所示。
圖2 特種閥內(nèi)流道簡(jiǎn)化模型(a)和流體域(b)
文中選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)特種閥進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中在細(xì)化轉(zhuǎn)角處和狹縫部位使用高級(jí)尺寸功能對(duì)網(wǎng)格進(jìn)一步改進(jìn)。為保證模擬的計(jì)算精度及速度,對(duì)特種閥閥腔內(nèi)部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)域用局部設(shè)置進(jìn)行加密處理,其余部分保持全局設(shè)置不變。限于篇幅,此處僅展示了開度為50°的特種閥流體域內(nèi)的網(wǎng)格劃分結(jié)果,如圖3所示。
圖3 特種閥的網(wǎng)格劃分
通過(guò)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)后,最終確定全局尺寸設(shè)定為100 mm,特種閥各開度網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)如表1所示。
表1 網(wǎng)格劃分節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)
1.2.1 基本方程
在特種閥流動(dòng)特性分析過(guò)程中,工質(zhì)空氣是可壓縮的理想氣體。采用氣體狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程等控制方程描述流體,方程[18]如下:
pV=RgT
(2)
(3)
(4)
式中:p為絕對(duì)壓力,Pa;Rg為氣體常數(shù),值為0.287 06 kJ/(kg·K);T為絕對(duì)溫度,K;V為氣體的比體積,m3/kg;ρ為流體的密度,kg/m3;u為流體的速度矢量,m/s;F是作用在單位體積流體上的質(zhì)量力,N/m3。
1.2.2 Standardκ-ε湍流模型
由于Standardκ-ε具有高精度且簡(jiǎn)單有效的特性,所以將其應(yīng)用于特種閥的數(shù)值模擬中,并且在模擬過(guò)程中流體的速度將會(huì)達(dá)到超音速,使得雷諾數(shù)遠(yuǎn)超2 000,所以在特種閥的數(shù)值模擬中還應(yīng)考慮湍流的影響。Standardκ-ε模型[19]為
(5)
(6)
式中:Gb是由平均速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能項(xiàng);Gκ是由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能項(xiàng);μt是湍流黏度系數(shù);YM是湍流馬赫數(shù);C1ε、C2ε和C3ε為模型常數(shù);σκ和σε分別為κ和ε的湍流普朗特?cái)?shù);Sκ和Sε為用戶自定義源項(xiàng);u是流體速度;μ是流體黏度。各模型常數(shù)值如表2所示。
表2 κ-ε常數(shù)
1.2.3 物性參數(shù)
工質(zhì)為空氣,其物性參數(shù)、工作溫度與壓力有關(guān),物性參數(shù)相應(yīng)值如表3所示。
表3 物性參數(shù)
1.2.4 邊界條件
采用ANSYS2021R1中的流體動(dòng)力學(xué)分析模塊Fluent數(shù)值模擬分析不同開度(10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°)和不同壓比(閥后出口靜壓與閥前進(jìn)口靜壓之比)(0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9)對(duì)特種閥內(nèi)部壓力和速度的影響規(guī)律。選用Standardκ-ε湍流模型,采用二階迎風(fēng)格式的離散方法和壓力-速度耦合的Couple算法進(jìn)行迭代求解。邊界條件和物性參數(shù)設(shè)置如下:
(1)進(jìn)口邊界。采用壓力進(jìn)口邊界條件,參數(shù)設(shè)置為200 kPa,溫度設(shè)置為25 ℃。
(2)出口邊界。采用壓力出口邊界條件,根據(jù)壓比設(shè)置相應(yīng)的出口壓力,分別為20、40、60、80、100、120、140、160和180 kPa。
(3)壁面邊界。采用無(wú)滑移壁面。
(4)初始值。采用默認(rèn)初始值。
2.1.1 速度分布規(guī)律
圖4所示為特種閥在閥前壓力為200 kPa,不同壓比的條件下,開度對(duì)速度分布的影響。
圖4 在一定壓比條件下開度對(duì)速度分布的影響
由圖4可以看出:在壓比0.1和壓比0.9條件下,整個(gè)流場(chǎng)中速度都呈對(duì)稱分布,氣流速度隨著開度增大而逐漸增加。在一定開度下,氣流所產(chǎn)生的最大速度梯度處于無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤的狹窄過(guò)流區(qū)域,出現(xiàn)較復(fù)雜流體流動(dòng)形式。其主要原因是無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤處流通面積減小較快導(dǎo)致速度迅速增加,從而使得壓力迅速降低,當(dāng)氣流流過(guò)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤后,壓力上升而速度下降,形成喉口效應(yīng),喉口效應(yīng)導(dǎo)致在無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤出口區(qū)域出現(xiàn)靠近中心的上下2個(gè)旋向相反的漩渦流,使得局部能量損耗增大,從而使得此處的氣體速度隨著能量損耗的增大而減小[20]。除此之外,隨著閥門開度的增大,氣流流經(jīng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤后速度分布不斷變大且均勻,當(dāng)閥門開度不小于50°時(shí),特種閥流體在入口和出口處的流速分布較為均勻,流動(dòng)狀態(tài)較為平穩(wěn),性能較好。其原因是隨著閥門開度增加,無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤流通面積變大,有利于氣體繞流,流場(chǎng)漸漸變得平穩(wěn),渦流減弱。
在閥前壓力為200 kPa,不同壓比的條件下,壓比對(duì)特種閥內(nèi)部速度分布的影響如圖5所示。
圖5 在一定開度下壓比對(duì)速度分布的影響
由圖5可以看出:隨著壓比增大,速度梯度逐漸減小,速度分布逐漸趨于均勻,其中壓比等于0.5時(shí),特種閥的流速分布比較均勻,當(dāng)壓比為0.9時(shí),流速梯度特別小,整個(gè)特種閥內(nèi)部速度分布均勻性好。其主要原因是壓比大時(shí),特種閥進(jìn)出口壓差小,流體流動(dòng)推動(dòng)力小,特種閥內(nèi)部流速小且變化也較小。
2.1.2 進(jìn)口速度變化規(guī)律
圖6所示為在閥前壓力為200 kPa條件下,壓比和開度與閥進(jìn)口速度之間的變化曲線,可知:在開度一定的情況下,進(jìn)口速度隨著壓比的變化趨勢(shì)相同,隨著壓比增大,進(jìn)口速度先保持不變而后不斷地減小。其主要原因是因?yàn)楫?dāng)閥前壓力保持200 kPa不變時(shí),隨著閥后壓力的不斷減小(即壓比不斷減小)時(shí),壓差減小,流量也隨之減小,進(jìn)口速度減小;而當(dāng)閥后壓力下降到某一值時(shí),特種閥發(fā)生了阻塞流[21],流經(jīng)特種閥的流量不再發(fā)生變化,進(jìn)口速度也不會(huì)變化,存在臨界壓比(即隨著壓比減小,進(jìn)口速度不再發(fā)生變化時(shí)的壓比)。在開度為10°~50°時(shí),臨界壓比約為0.5,在開度為60°~90°時(shí),臨界壓比約為0.6。
圖6 進(jìn)口速度變化曲線
由圖6還可以看出:在閥前壓力為200 kPa條件下,隨著開度的增加,進(jìn)口速度不斷增大。如壓比為0.1、開度為90°(全開)時(shí),進(jìn)口速度為72.92 m/s,約為開度10°的9倍。其主要原因是當(dāng)壓比一定、開度增大時(shí),流經(jīng)特種閥的流量會(huì)成倍地增加,致使速度隨之增大。
2.2.1 壓力分布規(guī)律
圖7所示為特種閥在閥前壓力為200 kPa、不同壓比的條件下,開度對(duì)壓力分布的影響??梢钥闯觯禾胤N閥流場(chǎng)壓力呈軸對(duì)稱分布,在整個(gè)開啟過(guò)程中,壓力變化最大的地方處于無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤前后區(qū)域;在閥門開啟過(guò)程中,閥內(nèi)壓差隨著開度的增大而減小,壓力分布逐漸均勻,且負(fù)壓區(qū)隨之增大。分析圖4和圖7可知:氣流經(jīng)過(guò)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤后形成漩渦,造成能量損失從而使得漩渦周圍的流體速度減小,由動(dòng)壓與速度的平方成正比可知壓力會(huì)迅速減小并在局部形成負(fù)壓區(qū),漩渦越小負(fù)壓區(qū)越均勻。
圖7 在一定壓比條件下開度對(duì)壓力分布的影響
2.2.2 流阻系數(shù)變化規(guī)律
分析閥前閥后模擬數(shù)據(jù)可知,閥前閥后壓差隨著閥門開度變化而變化,由流阻系數(shù)公式可知流阻系數(shù)也隨閥門開度的變化而變化。流阻系數(shù)即流體流過(guò)特種閥時(shí)受到的阻力,其計(jì)算式如式(7)所示:
(7)
式中:ξ為特種閥流阻系數(shù);Δp為特種閥前后壓力損失,Pa;v為與ξ相對(duì)應(yīng)的截面平均流速,通常指流體通過(guò)局部阻礙后的截面平均流速,m/s。
通過(guò)式(7)計(jì)算可得不同開度和壓比下特種閥流量系數(shù),流阻系數(shù)與開度的變化曲線如圖8所示。可知:在壓比一定的情況下,流阻系數(shù)隨著開度的增加而不斷地減小最后逐漸趨于平穩(wěn),此趨勢(shì)與閥門開啟流阻系數(shù)的變化規(guī)律一致。開度為10°~40°時(shí),流阻系數(shù)下降最顯著,開度從10°變大到30°時(shí),流阻系數(shù)下降了88%。由圖8還可以看出:在開度一定時(shí),隨著壓比的增加,流阻系數(shù)也不斷減小,但是減小率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隨著開度增大的減小率,其中壓比為0.1時(shí),流阻系數(shù)隨著開度增大下降速度最大。其主要原因是當(dāng)開度一定、壓比增大時(shí),特種閥進(jìn)出口壓差減小,推力減小,致使流阻系數(shù)隨之減小。
圖8 流阻系數(shù)變化曲線
(1)在整個(gè)流場(chǎng)中速度呈對(duì)稱分布,氣流速度隨著開度增大而逐漸增加且分布逐漸趨于均勻,當(dāng)開度不小于50°時(shí),特種閥流通性能較好,流態(tài)平穩(wěn)。
(2)在閥前壓力為200 kPa、開度不變的條件下,進(jìn)口速度隨著壓比的增大,先保持不變而后不斷地減小,存在臨界壓比。開度為10°~50°時(shí),臨界壓比約為0.5,開度為60°~90°時(shí),臨界壓比約為0.6。
(3)在閥前壓力為200 kPa,進(jìn)口速度隨著開度增大而增加,壓比為0.1、開度90°(全開)時(shí)的進(jìn)口速度為72.92 m/s,約為開度10°的9倍。
(4)特種閥流場(chǎng)壓力呈軸對(duì)稱分布,壓力梯度最大處位于無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)盤前后區(qū)域,隨著閥門開度的增大,負(fù)壓區(qū)逐漸擴(kuò)大。
(5)流阻系數(shù)隨著開度和壓比的增加而不斷減小并逐漸趨于平穩(wěn),開度為10°~40°時(shí),流阻系數(shù)下降最顯著,開度從10°變大到30°時(shí),流阻系數(shù)下降了88%。