燃气调压阀内流场三维模拟.pdf

燃气调压阀内流场三维模拟 李哲魏志军张平 1) (北京理工大学机电工程学院，北京10008 摘要：采用有限体积法对燃气阌内流场进行三雏冷气模拟和燃气模拟，并用冷气试蹬验证． 说明了本文所研究阀门内流场的特点：得到入口压力与阀芯受力之间的线性关系；比较了3个不同弹性 系数下入口压力与阀门质量流量，得到入口压力与阀门质量流量之间的二次曲线关系，并给出弹性元件 对调压法调节燃烧室平衡压力的能力的影响：最后分析了燃气模拟的结果并和冷气模拟的结果进行对 比． 主题字：燃气阈，内流场，敷值计算，弹性系敷 1引言 调压阀是燃气发生器压力调节部件，其性能直接影响燃气发生器内部压力进而影响燃气发生器的工 作性能。阀门复杂的内部流场在成了理论和实验研究的困难，因此对燃气阀内流场进行数值模拟研究是 必要的，但国内对这方面的研究还很欠缺．国外对固体燃气调压阀作了一些研究，提出了一些新的设计 思路，对耐高温复合材料以及阀门内流场等方面都进行了研究【1．3】。参考文献[1】对弹道法向校正系统 的转换阀流场进行了数值模拟，得到了推进效率和阀芯的空气动力特征．本文对调压阀阀芯在不同位置 上的流场进行了数值模拟．包括冷气模拟和燃气模拟，并采用冷气实验验证．得到了入口压力与阀芯受 力、入口压力与阀门质量流量之间的关系，并分析了弹性元件对阀门调压能力的影响；计算结果为下一 步研究提供了理论依据。 2工作原理 文中所研究的调压阀属于自力式调压阀，具有结构简单、可靠性好等特点。调压阀结构如图1(a) 所示，阀芯的后端装有一个弹性元件，设计有一定的预紧力，使阀门在非工作状态关闭，并且上游压力 超过一定值时才使阀门打开；可以看出阀芯和阀座之间形成的一个收缩．扩张结构，其目的在于在入口 压力升高时，可以把气流加速到超声度，避免出现壅塞现象。图l(b)表示了调压阀在整个通道中的作 用．燃气发生器产生大量燃气，在管道内部形成压力，当压力超过限定值时，阀门打开，阀门分流部分 燃气．使燃烧室内部压力减小。经过一系列动态响应过程，最终达到一个平衡状态．此时阀芯受力平衡， 入口压力越大阀门开度也越大．阀门分流燃气越多，从而使燃气发生器内部压力稳定在一个数值附近并 且使进入气动元件的燃气流量稳定在一定范围内。 3控制方程与边界条件 3．1计算模型与控％q方程 如图l(a)。计算所采用的调压阀入口直径为lOmm，阀芯直径 10mm，出口直径为15．8ram。 在平衡状态，管道内的流动可以简化为可压缩的稳态湍流流动。因此可以按照三维可压稳态湍流模 型进行模拟，采用N_s方程进行计算，湍流模型采用高雷诺数k．￡两方程模型￡4]。 图1(8)调压阀结构简圈(截面) 圜【(b)燃气流向示意图 图2调压阔网格示意图 本次计算只涉及管道内部流动．采用有限体积法、四面体的非结构网格，如图2所示．考虑到在阔 座与阔芯缝隙处压力变化剧烈，所以在此处对网格加密．计算采用sm蜊正算法，虽然对压力梯度较大 区域的网格进行7加密，但是在计算过程中发现仍然有某些相邻单元的压力值相差较大，所以在计算过 程中采用相对于压力梯度的自适应网格，提高了计算精度和收敛速度． 3．2边界条件 3．2．1入口边界条件 取阀门进气通道为压力入口边界．假设入口压力分布均匀，压力值为阀门平衡压力，其值由试验测 ．^邵z．Ij／ 得。b￡的值由公式屯=o·004“：I气2。9‘叼进行预估，冷气模拟时入口温度为30。‰在燃气模 拟的情况下入口温度为1800K． 3．2．2出口边界条件 设定阀门出口为压力出口边界·由于离阀芯较远。并且与大气相连，取出口压力为一个大气压力， 其它参数由上辩临近的参数外插得到。 3．2．3壁面边界条件 壁面定义为绝热无滑移边界。 3．2．4气体性质 为了与实验相对应·为冷气计算时，所有气体性质均采用空气气体性质参数．燃气模拟所采用的气 体的温度、平均分子量和平均比热眈与空气不同，采用实际燃气的参数，平均分子量为22_3，比