摘要：建立了弹簧式安全阀内流道的等效二维轴对称模型，应用动网格技术结合用户自定义函数（UDF）对弹簧式安全阀的回座过程进行数值模拟，得到了阀瓣在回座过程中随时间变化的速度曲线和位移曲线，并与试验数据进行对比，结果有较好的吻合性。分析了弹簧式安全阀回座过程内流场的流动特性，为弹簧式安全阀回座过程的冲击力计算及结构优化相关工作提供参考。
关键词：弹簧式安全阀；计算流体力学；数值模拟；动网格
中图分类号：TH34文献标识码：A
0引言
弹簧式安全阀是一种重要的安全泄压装置，其功能是当压力系统内的压力超过允许值时，阀门自动开启泄压，保证压力系统的安全运行，被广泛应用于动力锅炉、直流锅炉、再热器和其它设备及管道的超压保护[1-3]。骆辉等[1]研究了安全阀的升力系数，将试验数据与仿真数据进行对比，结果表明安全阀阀瓣的结构对升力系数有重要影响。陈殿京等[2-3]应用计算流体力学（CFD）的方法研究了安全阀的排量系数，同时研究了不同安全阀的流道形状与工作特性的关系。杨留[4]对高温高压安全阀进行了动态过程的数值模拟，提出了采用增加阻尼方法减小地震波对安全阀的影响。陈力智[5]通过流固耦合（FSI）的方法，使用动网格技术模拟安全阀开启和回座过程，并研究了相关参数对阀门不稳定性的影响。丘垂育[6]通过一套安全阀排放监测系统，模拟了安全阀的泄压过程，并通过升力传感器的输出信号，判断不同阀瓣结构的性能差异。翟启超等[7]计算了升力系数，同时还研究了不同阀门开高与阀门排放能力之间的关系。王荣誉[8]采用不同的湍流模型对不同阀盘开度下的阀盘升力进行了预测，结果表明小的阀盘开度预测效果明显好于大开度。
本文应用ANSYSWorkbench有限元仿真软件建立了安全阀内流道等效二维轴对称模型，使用动网格技术结合用户自定义函数（UDF）模拟了阀瓣回座过程，并与试验数据进行了对比验证。
1数值模拟方法
1.1几何模型
弹簧式安全阀的结构主要包括阀体、阀盘、喷嘴、阀盖、阀杆及弹簧等，其三维模型如图1所示。此研究采用的弹簧式安全阀总体高度为mm，入口直径为65mm，出口直径为mm，入口长度为mm，出口长度为83mm，阀门最大开高为13mm。
图1弹簧式安全阀二分之一模型图2安全阀内流场等效二维轴对称模型
戴芳芳等人的研究[9]表明，传统的二维模型简化方案会明显低估实际的阀盘背压力，为了改善这种误差，将二维模型的出口面积进行等效，使其更接近真实情况。二维轴对称模型出口等效的方法是令流体从阀腔流出的三维等效面积等于该处的真实出流面积[5]。出口宽度b满足下式：
计算得到：
式中为安全阀实际出口直径，r为等效二维轴对称模型对称轴到阀腔的距离，b为等效后出口宽度。等效后的二维轴对称模型如图2所示。
1.2网格无关性验证和动网格设置
流体域全部采用四边形结构网格划分方法，如图4所示。喷嘴和调节圈附近的结构对流体的流动特性产生重要影响，因此添加了边界层。网格数量对计算时间及计算的准确性有较大影响，选用、、和这4种逐渐增加的网格数量进行仿真计算并对比结果，网格数量对计算结果的影响如表1所示。由表1可知，当网格数量达到后，增加网格数量对阀盘升力影响较小，综合考虑最终选择的网格数量进行仿真计算。
表1四种网格数量的计算结果
单元数
节点数
阀盘升力/N
阀盘升力偏差
百分比/%
计算时间/min
6.89
2
4.81
5
0.88
8
—
12
图4网格划分图5流体域划分
流体域网格均为四边形网格，采用动态铺层的方法进行网格更新。为适应动网格，将流体域划分为3个部分：动区域1、动区域2和静止区域，三个区域之间采用interface连接，用于数据交换，如图5所示。将动边界及动区域设置为运动刚体，将固定不动的边界设置为固定边界。合并网格的理想高度为5e-5m，坍塌因子为0.2。在UDF中计算阀盘升力与弹簧力的合力，从而得到阀瓣的加速度，以此来控制网格的运动。
1.3边界条件及求解设置
将流体域的网格文件导入Fluent软件进行边界条件设置，入口压力大小通过拟合试验测得的阀前压力得到，温度为31℃，出口压力为标准大气压，温度为19℃，流体域的介质为理想气体空气。Zong等人的研究[10]表明，SSTk-ω湍流模型在计算阀盘升力上较其他模型更为准确，因此选用此湍流模型进行计算。采用Couple算法能够得到更好的收敛性，选择压力基、瞬态、二维轴对称模型进行计算，同时开启流量方程。求解方式为压力-速度耦合，空间离散方式均为二阶，收敛残差均为1e-5。求解设置如表2所示。
表2求解设置
计算设置类别
选项
湍流模型
SSTk-ω
能量方程
开启
入口类型
压力入口
出口类型
压力出口
计算方法
Coupled
离散格式
二阶迎风格式
1.4控制方程
应用Fluent软件进行数值模拟的过程中，始终遵循CFD的三大控制方程，分别是质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。具体方程如（2）式~（4）式。
质量守恒方程
动量守恒方程
能量守恒方程
式（2）~式（4）中，为有效粘度，S为体积力，u、v、w分别为流体的速度矢量在x、y、z这三个方向上的速度分量，为流体密度，p为作用在微原体上的压力，k为流体的导热系数，Sh为流体的内热源，为粘性耗散项。
2弹簧式安全阀回座的试验研究
试验平台由弹簧式安全阀、压力容器、管道，数据采集系统、位移传感器、压力传感器等组成，原理图如图6所示，图中①为压力容器，②为安全阀，③为数据采集系统，X为位移传感器，T为温度传感器，P为压力传感器。数据采集系统如图7所示。试验测试系统包括：安全阀空气试验系统、压力传感器、温度传感器、开高位移传感器等。
图6试验平台原理图图7数据采集系统原理图
在安全阀入口处安装配对法兰，在阀体出口处、阀体泄流孔处、配对法兰上打6个孔，安装探针式压力传感器和温度传感器。试验借助开高位移传感器，测得阀门开启、回座过程中位移曲线，根据该曲线转换成回座的速度和加速度，使用的传感器量程为15mm。根据经验，阀门出口排放处的压力约为入口压力的0.25倍，根据试验最大压力选择压力传感器，共3挡：1MPa、2.5MPa、10MPa。试验利用空气介质进行，根据介质温度选择温度传感器。试验测得弹簧预紧力及回座压力如表3所示。从表3中可以看出，5次试验的重复性较好，选取5次试验的弹簧预紧力和回座压力的平均值作为仿真模拟的输入条件，并将试验测得的阀瓣位移曲线及速度曲线与仿真结果对比，验证仿真结果。
表3试验结果
试验次数
开高
（mm）
弹簧预紧力
（N）
阀前起跳压力（MPa）
回座压力
（MPa）
1
12.93
0.84
0.66
2
12.96
0.85
0.66
3
12.98
0.85
0.66
4
12.96
0.85
0.67
5
12.94
0.85
0.66
平均值
12.95
0.85
0.66
3仿真结果分析
3.1阀瓣位移和回座速度
弹簧式安全阀回座的冲击力与阀瓣回座到最低点的速度有直接关系，因此需要重点