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安全閥超壓泄放瞬態(tài)動力學(xué)數(shù)值模擬研究

文檔作者：郭崇志，朱壽林文檔來源：華南理工大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2023年01月07日
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30 FLUID MACHINERY Vo1．40，No．2，2012
文章編號： 1005—0329(2012)02—0030—06
安全閥超壓泄放瞬態(tài)動力學(xué)數(shù)值模擬研究
郭崇志，朱壽林
(華南理工大學(xué)，廣東廣州510640)
摘要： 安全閥作為工業(yè)承壓系統(tǒng)的重要安全部件，其作用在于保障生產(chǎn)系統(tǒng)超壓安全，減少爆炸性事故的發(fā)生，所以
對安全閥超壓泄放瞬態(tài)動力學(xué)機理研究顯得尤為重要。本文結(jié)合ANSYS CFX動網(wǎng)格技術(shù)和CEL編譯語言創(chuàng)建了安全
閥瞬態(tài)動力學(xué)方程，將開啟部件的位移與動網(wǎng)格關(guān)聯(lián)，采用數(shù)值模擬的方法初步分析了安全閥開啟瞬態(tài)動力學(xué)問題，分
析和討論了開啟瞬態(tài)流場的變化，以及相關(guān)瞬態(tài)參數(shù)在典型路徑上的變化與瞬態(tài)開啟過程的關(guān)系。研究表明應(yīng)用ANSYS
CFX動網(wǎng)格技術(shù)研究安全閥泄放機理是可行的。
關(guān)鍵詞： 安全閥；數(shù)值模擬；動力學(xué)；動網(wǎng)格；泄放機理
中圖分類號： TK730 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A doi：10．3969／j．issn．1005—0329．2012．02．007
Transient Dynamics Numerical Simulation Research for Safety Valve
Overpressure Discharge Process
GU0 Chong-zhi，ZHU Shou-lin
(South China University ofTechnology，Guangzhou 510640，China)
Abstract： Industrial safety valve is an important safety system component，which aims at preventing the system from over pres—
sure and reducing further risk．Therefore，．it is worth of work to study safety valve overpressure discharge dynamics mechanism．
The paper is based on ANSYS CFX Dynamic Mesh techniques and CEL language to establish a safety vMve dynamic equation con—
ceming with the displacement of the va1ve disc．It has a preliminary access to solve the transient opening dynamic problem of
safety vMve．The relationship between transient parameter change attached to special path and opening process is acquired．It is
shown by research that ANSYS CFX Dynamic Mesh techniques is feasible，it can be well applied to study the safety valve dis—
charge mechanism ．
Key words： safety valve；numerical simulation；dynamics；dynamic mesh；discharge mechanism
1 前言
安全閥作為工業(yè)承壓系統(tǒng)的重要安全部件，
其作用在于保障生產(chǎn)系統(tǒng)不發(fā)生超壓運行事故，
然而在使用過程中亦會出現(xiàn)各種各樣的故障 J。
國內(nèi)外學(xué)者對安全閥的研究主要包括實驗測試、
數(shù)值模擬及安全閥工作機理等方面。美國學(xué)者
Sallet采用了流量實驗、流場顯形、流場測量等方
法來探討安全閥的工作機理，取得了一定的進(jìn)
展 ；Avtar singh對彈簧式加載安全閥動力學(xué)和
穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得到一個二階微分方程和一個
表達(dá)可壓縮流體的一階微分方程，解析計算時略
收稿日期： 2011—03—25 修稿日期： 2011—11—2l
去了阻尼影響，并將加載函數(shù)設(shè)為簡單的兩段式
隨時間變化的壓力加載函數(shù) ；國內(nèi)陳殿京采用
k—s和realizable k一8 2種湍流模型對安全閥開
啟后的穩(wěn)態(tài)流場進(jìn)行了研究H ；駱輝采用數(shù)值模
擬與試驗對比相結(jié)合的方式 J，研究了安全閥在
特定開啟高度穩(wěn)態(tài)流場及結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對穩(wěn)態(tài)升
力系數(shù)的影響；梁寒雨采用動網(wǎng)格技術(shù)研究了安
全閥開啟過程閥口瞬態(tài)流場的數(shù)值求解方法 ，
取得了良好效果。x．G，Song等使用CFD動網(wǎng)格
技術(shù)對恒壓作用下安全閥的流場參數(shù)進(jìn)行了研
究 。本文以文獻(xiàn)[8]提出的技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合
近年來的研究 引，對安全閥開啟的瞬態(tài)過程流
2012年第40卷第2期 流體機械 31
一固耦合機理進(jìn)行探討。用ANSYS CFX動網(wǎng)格
技術(shù)對瞬態(tài)開啟過程進(jìn)行數(shù)值求解，得到閥口附
近流場參數(shù)的瞬態(tài)變化結(jié)果，有助于了解開啟過
程的動力學(xué)過程及其機理。
2 計算模型
與傳統(tǒng)的CFD軟件FLUENT相比，ANSYS
CFX不具備網(wǎng)格再生(Remeshing)功能，但能使
已有的網(wǎng)格節(jié)點做一定的移動，到達(dá)用戶定義的
位置，完成相應(yīng)的區(qū)域計算 。對安全閥開啟部
件的動力學(xué)分析采用動網(wǎng)格技術(shù)，可以通過數(shù)值
模擬了解開啟過程流場的參數(shù)變化規(guī)律。為便于
敘述，首先定義如下參數(shù)：tStep為時間步長；mDisc
為開啟部件質(zhì)量；velDisc，dDisc分別表示開啟部件
在開啟方向的瞬時速度和位移；Fflow為流體作用
力；Fspring作用在開啟部件上的彈簧力；Fset為
作用在開啟部件上的初始力。動力學(xué)計算模型如
圖l所示。
圖1 動力學(xué)計算模型
如圖1，對于正處于瞬態(tài)開啟中的閥芯運動
部件，其受力可以用牛頓第二定理描述為： ‘
mDisc (velDisc)=明D 一Fset—Fspring
U
(1)
將開啟部件位移與動網(wǎng)格關(guān)聯(lián)，可以定義t=
Old，New分別表示開啟部件參數(shù)所在的前后時
刻，則開啟部件加速度、速度、位移等均可按照物
理意義表達(dá)，則有速度變化率(加速度)：
—d(velD— isc)一—
velDiscNew-—
velDiscOld r，、
dt — tStep
．
。
位移的變化率：
elDiscNe ：—dD
—
is
—
cN
—
ew
—
- d
—
D
—
is
—cOld (3)
t3tep
由式(1)一(3)聯(lián)立求解，得出位移表達(dá)式：
dDi =[刪一 +(
mDisc×dDiscOld＼1
+ — — —tS—tep — J， J
／(kspring+ y (4)
將動網(wǎng)格技術(shù)與開啟部件的位移變化相關(guān)
聯(lián)，可以解決由于安全閥開啟部件的瞬時運動而
導(dǎo)致的計算流域瞬態(tài)變化問題。
3 數(shù)值模擬過程
3．1 網(wǎng)格劃分
借助CFX中的流體薄片(Slice)技術(shù)建模，即
沿著厚度z方向拉伸一個單元厚度得到2D薄
片，設(shè)置對稱面，使垂直該面的分量為零，建立計
算域。然后導(dǎo)人ICEM CFD中，用四面體生成并
控制網(wǎng)格尺寸，對開啟部件附近和人口區(qū)域網(wǎng)格
加密。經(jīng)過網(wǎng)格計算后，對網(wǎng)格進(jìn)行平滑度設(shè)
置，并查看網(wǎng)格質(zhì)量。最終離散化模型如圖2所
示。
圖2 網(wǎng)格劃分
3．2 物理參數(shù)設(shè)置及邊界條件
ANSYS CFX除提供Inlet、Outlet、Wall、Symmetry
等邊界條件外，還提供特殊的Opening邊
界。對瞬態(tài)流場分析不能設(shè)置無效邊界組合，也
不能使用對初始條件敏感的邊界組合 ，而邊界
條件的設(shè)置對收斂性和準(zhǔn)確性有非常大的影響。
作為初步研究，設(shè)定工作介質(zhì)為常溫空氣
(25~C)，暫忽略可能由高速氣體動力學(xué)狀態(tài)方程
導(dǎo)致的密度和比熱容計算的變化，不考慮重力的
影響。采用穩(wěn)健的邊界條件，人El邊界設(shè)定為壓
力人口(總壓，湍流強度Intensity=5％)，出口邊
界采用開放式出口，即允許流體流出或流入計算
域，零梯度湍流特性。壁面邊界有兩種，入口閥道
相對靜止，無滑移，所以采用無滑移絕熱壁面邊

2012年第40卷第2期 流體機械 33
(m／s)
(C)t=7ms
圖5 安全閥瞬態(tài)開啟各時刻速度云圖
圖5(a)表達(dá)了開啟高度近似為零時，流體從
人口進(jìn)入閥道時，在開啟部件的密封面接觸區(qū)域
出現(xiàn)微小泄漏(預(yù)泄)，產(chǎn)生一定的速度變化。圖
5(b)則為進(jìn)入開啟瞬態(tài)階段的流體，處于某個開
高位置時出現(xiàn)超壓泄放的速度分布。圖5(c)、
(d)則表示最大開高下，流體進(jìn)入穩(wěn)定排放后，閥
口內(nèi)、外流場速度的分布情況。從圖5(d)中標(biāo)注
的9點(閥口和調(diào)節(jié)圈)附近的速度來看，該區(qū)域
速度矢量圖中表明速度存在明顯的不連續(xù)，其速
度發(fā)生了顯著變化。圖5(d)說明了穩(wěn)定排放階
段的流場特性，即開高基本穩(wěn)定，流動參數(shù)變化不
大。
結(jié)合壓力場和速度場的情況看，尤其從圖4
(b)～(d)可觀察到，閥口內(nèi)部瞬態(tài)全壓相對于外
部(大氣壓)更高，因此從圖5(b)一(d)給出的速
度分布，可以觀察到在瞬態(tài)開啟和穩(wěn)定排放階段，
外流場具有較大速度，這說明內(nèi)部全壓中動壓占
的比例很高，造成外流場的流動以減壓、氣體膨脹
形成的高速沖擊流為主。在開啟中的密封面附近
的內(nèi)外流場之間壓力能發(fā)生劇烈轉(zhuǎn)換，即上游靜
壓轉(zhuǎn)化為下游動壓，造成流速急劇增長，減壓過程
伴隨氣體體積激增，形成劇烈的膨脹沖擊流動。
瞬態(tài)開啟階段，外流場的影響范圍局限于閥口、反
沖盤附近區(qū)域，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)排放階段后，隨著流體進(jìn)
入遠(yuǎn)場，高速沖擊流的范圍進(jìn)一步擴大的同時伴
隨著流速降低并穩(wěn)定，背壓會大致趨于穩(wěn)定。
4．3 開啟流場參數(shù)變化曲線
通過設(shè)置Monitor Point可以監(jiān)測安全閥開啟
瞬態(tài)的流場具體位置上場量變化。圖6示出4個
監(jiān)控點A，B，C，D，其中A為閥口中心軸線與密封
面交點；B、C、D點位于監(jiān)測平面上，其中B位于
閥道人口中心軸線與此面的交點，C點為此面上
距離管道壁面1／2半徑處，D為近壁面點。
圖6 場量監(jiān)控點位置示意
圖7示出監(jiān)控點在瞬態(tài)開啟和排放階段的壓
力隨時間變化散點連線。
從圖中可見，A點和B點在瞬態(tài)開啟中的壓
力變化差別不大．，而近壁面D點與A，B點相比壓
力更低(注意，D點的壓力可以近似表達(dá)入口流道
的靜壓)，這說明開啟后期和排放階段，A，B點所
在的閥道內(nèi)部靜壓出現(xiàn)降一升一降過程，說明入
口段內(nèi)部流體的流速經(jīng)歷了高一低一高速的短暫
波動過程。
r甲翮 蹦 鼴 Ili 一f■網(wǎng)n 要墓薯鼴翮 一下I翮 明 鼴髓 I
FLUID MACHINERY Vo1．40，No．2，2012
O．86
皇
o．76
oo o，o15 (
t(s)
圖7 A，D壓力變化曲線
f(s)
圖8 速度監(jiān)控曲線
圖8中給出瞬態(tài)開啟階段的速度監(jiān)測曲線也
印證了這一點。圖9示出人口截面上湍流速度分
布，可以看出湍流范圍較寬，速度前緣基本是平
頭
x(m)
圖9 排放階段入口截面速度分布
4．4 瞬態(tài)開啟流動機理 ．
為便于對安全閥開啟流動機理進(jìn)行分析說
明，在開啟后變化中的流道上定義了某瞬時的路
徑MN，圖10、11分別示出這個時刻此路徑上瞬
態(tài)壓力云圖和速度矢量，據(jù)此導(dǎo)出流場數(shù)據(jù)曲線，
見圖l2、13。
圖11 速度矢量
從圖中可見，開啟瞬時，沿著指定路徑，閥口
處壓力和速度都發(fā)生了劇烈變化，出現(xiàn)了主流與
壁面脫離的現(xiàn)象，速度明顯不連續(xù)，流場參數(shù)在
經(jīng)過閥口和密封面結(jié)合處時也發(fā)生劇變，其流動
以密封面外側(cè)為界，形成內(nèi)、外流場兩種形態(tài)。并
且由于調(diào)節(jié)圈上部凹槽的存在，噴射流明顯被折
向上方，并沿著反沖盤壁面形成的流道減壓、膨
脹、流動，為反沖盤提供巨大的上行推力，這解釋
了反沖盤作為輔助開啟元件的功用。在F區(qū)域，
由于流道面積突然變大，靜壓增高導(dǎo)致回流出現(xiàn)，
結(jié)合前面的壓力場云圖可知漩渦區(qū)與開啟部件位
移(即開高)大小有關(guān)，開高越大，漩渦區(qū)越大，反
之越小。
圖12、13分別示出MN路徑上壓力和速度變
化曲線，發(fā)現(xiàn)開啟瞬時，沿著MN，壓力場從閥口
軸線上的全壓基本等于靜壓的狀態(tài)，向外演變成
全壓恒高于靜壓的狀態(tài)，且流體通過MN時，在流
體主流區(qū)域和密封面流道內(nèi)側(cè)之間(內(nèi)部流場)，
靜壓不斷下降，動壓(總壓與靜壓之差)越來越
大，這說明流速越來越高；而在密封面流道內(nèi)
(0．02m為流道外側(cè)點)，流速下降和靜壓力增高
(與亞音速縮口流動的速度增加伴隨靜壓力下降
特性相反)，而在隨后的擴口流中，則出現(xiàn)了流速
增加和靜壓力下降(與亞音速擴口流的流速下降
2012年第40卷第2期 流體機械 35
伴隨靜壓增加的特性相反)。這說明流體以密封
面外側(cè)為流動縮頸位置，在此位置之前流體呈現(xiàn)
超音速收縮流動，在此之后流體呈現(xiàn)超音速擴大
流動，流動參數(shù)之間出現(xiàn)了類似于超音速噴管流
動的特性。而在此范圍之外的內(nèi)部(大致為0～
17mm范圍)和外部(大致在反沖盤出口附近)流
場中，靜壓和速度的關(guān)系不服從超音速噴管理論，
而與亞音速流動的關(guān)系相似。
10
1 3
×
O 0．015
x(m)
圖12 閥口MN路徑壓力比較
l200
600
0
0 O．Ol5 0．030
x(m)
圖13 速度變化
計算表明當(dāng)?shù)匾羲賑 350m／s，采用馬赫數(shù)
對路徑MN上的流體運動速度觀察分析，從圖13
中不難發(fā)現(xiàn)內(nèi)流場從MN起點大致到達(dá)1／2半徑
處基本達(dá)到音速，Ma大致0．5—1；從半徑1／2處
起始，流速急劇加大，到達(dá)閥口內(nèi)側(cè)(16～l$mm
處)Ma高達(dá)3左右，而后通過密封面流道至閥口
外側(cè)區(qū)間時，速度下降伴隨著靜壓力升高(屬于
內(nèi)部流場)，隨后進(jìn)入外流場(擴口流動)，此時速
度增大伴隨著靜壓力下降，其Ma在2以上。
需要指出的是，這里給出的是等溫常密度下
的分析結(jié)果，與安全閥內(nèi)部真實介質(zhì)物性還有偏
差?J。但在密封面流道內(nèi)部和外側(cè)依然符合已
知的超音速噴管流動的物理規(guī)律 。
5 結(jié)語
本文根據(jù)安全閥開啟的瞬態(tài)動力學(xué)方程，將
開啟部件的動力學(xué)參數(shù)與動網(wǎng)格技術(shù)相關(guān)聯(lián)，編
譯出動網(wǎng)格驅(qū)動語言，選擇了適合本文研究的湍
流模型，實現(xiàn)了安全閥的超壓泄放瞬態(tài)動力學(xué)數(shù)
值模擬。結(jié)果顯示安全閥超壓泄放過程中以密封
面流道外側(cè)為界，組成了以收縮流動為主的內(nèi)流
場和以擴張為主的外流場，流場參數(shù)之間變化
(即內(nèi)外流場在閥口附近的流動特性)符合超音
速可壓縮流體流動的特性。閥口外側(cè)的向上折返
沖擊射流為反沖盤結(jié)構(gòu)提供巨大的上行推力現(xiàn)象
合理地解釋了反沖效應(yīng)的形成機理。本文的研究
思路和方法為進(jìn)一步研究創(chuàng)建了基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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(下轉(zhuǎn)第14頁)
14 FLUID MACHINERY Vo1．40，No．2，2012
表3 風(fēng)機入口安裝進(jìn)口集流器(曲率半徑R=80mm)
下的效率補償計算
流量Q 風(fēng)機入口空氣 壓力損失Ap
(m。／h) 流速C2(m／s) (Pa) (％) (％)
4ooO 8．85 1．88 1．8 47．7
35oo 7．74 1．44 1．1 45．3
3O0o 6．63 1．05 0．8 40．2
2500 5．53 0．73 0．6 33．4
表4 風(fēng)機入口接短管下的效率補償計算
流量Q 風(fēng)機入口空氣 壓力損失Ap Ot
(m ／h) 流速C2(m／s) (Pa) (％) (％)
4O00 8．85 44．64 79．3 45．9
35oo 7．74 34．14 40．8 43．5
3000 6．63 25．05 25．2 39．8
250o 5．53 17．43 14．2 33．2
將以上補償計算所得到的風(fēng)機效率值采用曲
線擬合方法繪制出風(fēng)機流量一效率曲線，并將風(fēng)
管試驗裝置試驗結(jié)果繪制在同一張圖中，如圖8
所示，從圖中可以看出，通過對風(fēng)室試驗裝置試驗
結(jié)果進(jìn)行補償計算后，兩者的風(fēng)機效率誤差已大
大減小了。
2500 3250 4000
Qfm ／h)
圖8 風(fēng)管試驗的“流量一效率曲線”與風(fēng)室試驗
修正后的的“流量一效率曲線”對比
4 結(jié)語
綜上所述，本文采用理論分析與CFD數(shù)值模
擬相結(jié)合對比實際性能試驗結(jié)果的方法，研究和
探討了進(jìn)氣風(fēng)室試驗裝置與進(jìn)氣風(fēng)管試驗裝置測
試結(jié)果產(chǎn)生誤差的機理與修正方法。針對風(fēng)機入
口處安裝不同附件情況下，采用工程計算與數(shù)值
模擬分析結(jié)果均證明，對進(jìn)氣風(fēng)室試驗裝置來說，
風(fēng)機人口處安裝不同的附件對風(fēng)機試驗結(jié)果會產(chǎn)
生較大的影響，在風(fēng)機進(jìn)口安裝進(jìn)口集流器能使
流場分布更加穩(wěn)定均勻，氣流組織更加合理。同
時，通過采用效率補償計算可對風(fēng)室試驗裝置的
試驗結(jié)果進(jìn)行合理修正，較好地解決了采用進(jìn)氣
風(fēng)管裝置與進(jìn)氣風(fēng)室裝置進(jìn)行風(fēng)機性能測試時所
產(chǎn)生的試驗誤差修正問題。
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作者簡介：李強(1986一)，男，碩士，主要從事制冷及低溫工
程和暖通空調(diào)的研究，通訊地址：200093上海市楊浦區(qū)軍工路
516號上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院。
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作者簡介：郭崇志(1956一)，男，博士，副教授，主要研究方向
為過程裝備測控及其傳感器技術(shù)，通訊地址：510640廣東廣州市
天河區(qū)五山路華南理工大學(xué)29號樓323B。
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