以國(guó)內(nèi)2.4m 跨聲速風(fēng)洞調(diào)壓閥為對(duì)象，使用CFD 軟件、采用基于壓力的隱式coupled算法和標(biāo)準(zhǔn)k - ε 湍流模型，實(shí)現(xiàn)了調(diào)壓閥可壓縮穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬，及對(duì)調(diào)壓閥加設(shè)整流錐、調(diào)壓閥并聯(lián)旁路閥和調(diào)壓閥并聯(lián)旁路閥并加設(shè)整流錐三種閥門模型進(jìn)行數(shù)值模擬和驗(yàn)證。結(jié)果表明，數(shù)值模擬的流量與真實(shí)值誤差0.43%，壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)能反映實(shí)際現(xiàn)象，旁路閥全開時(shí)增加87%以上的流量，整流錐降低了閥后壓力梯度和校正軸向核心流偏向作用明顯。

1、概述

　　調(diào)壓閥是暫沖式跨聲速風(fēng)洞的關(guān)鍵設(shè)備，設(shè)計(jì)為內(nèi)部軸向?qū)ΨQ的環(huán)形流道結(jié)構(gòu)，通過閥體內(nèi)固定件的堵塞作用和運(yùn)動(dòng)件以不同開度控制流通面積，對(duì)氣流量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，從而實(shí)現(xiàn)閥后壓力調(diào)節(jié)的目的。工作中，氣流將產(chǎn)生巨大的沖擊和反復(fù)的交變載荷，并引起振動(dòng)，對(duì)閥門的材料和結(jié)構(gòu)造成損害，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.13house.cn/)可能影響工作性能和安全。暫沖式跨聲速風(fēng)洞的調(diào)壓閥內(nèi)流場(chǎng)涉及氣流的壓縮和膨脹系列復(fù)雜變化過程，必須進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬才能獲得閥體內(nèi)流場(chǎng)的真實(shí)信息。本文以2.4m 暫沖型引射式半回流跨聲速增壓風(fēng)洞用調(diào)壓閥為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD 軟件對(duì)閥門內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果驗(yàn)證準(zhǔn)確后，對(duì)調(diào)壓閥加設(shè)整流錐、調(diào)壓閥并聯(lián)旁路閥和調(diào)壓閥并聯(lián)旁路閥及設(shè)整流錐三種方案進(jìn)行數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為風(fēng)洞調(diào)壓閥改造或新設(shè)計(jì)提供了參考方案。

2、風(fēng)洞調(diào)壓閥流場(chǎng)數(shù)值模擬

　　2.1、計(jì)算模型

　　在網(wǎng)格劃分軟件Gridgen中對(duì)調(diào)壓閥進(jìn)行建模，入口和出口取8 倍管道直徑長(zhǎng)度，使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并在流體流動(dòng)復(fù)雜的調(diào)壓閥包絡(luò)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格加密，模型入口和出口分別設(shè)置為壓力入口和壓力出口邊界條件，其余部分設(shè)置為壁面條件(圖1) 。幾何模型的網(wǎng)格數(shù)量是6.9 萬。

　　總長(zhǎng)3.3m，出入口內(nèi)徑1.3m，套筒最大行程550mm。調(diào)壓閥內(nèi)部錐狀殼體是固定部件，對(duì)氣流具有整流和堵塞作用，閥門末端套筒是活動(dòng)部件，在PID 閉環(huán)控制作用下調(diào)整開度。殼體和套筒共同實(shí)現(xiàn)了閥后壓力的降壓和穩(wěn)定。

圖1 調(diào)壓閥模型網(wǎng)格

　　2.2、參數(shù)設(shè)置

　　2.4m 跨聲速風(fēng)洞的試驗(yàn)馬赫數(shù)為0.3 ～ 1.43，研究中選取風(fēng)洞0.8 馬赫常規(guī)試驗(yàn)工況參數(shù)進(jìn)行分析(表1) 。

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　對(duì)表1 的兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，并結(jié)合其他參數(shù)分析，得到貼近調(diào)壓閥工作實(shí)際的數(shù)據(jù)。可知，吹風(fēng)中調(diào)壓閥前端總壓為1 129. 5kPa，而閥后較長(zhǎng)氣流管道的出口靜壓近似為900kPa，試驗(yàn)進(jìn)程中流經(jīng)主調(diào)壓閥的氣體流量為460kg /s，來流速度32m/s。

　　調(diào)壓閥計(jì)算模型建立后，文件導(dǎo)入CFD 計(jì)算軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。經(jīng)調(diào)試和分析，確定使用基于壓力的隱式coupled 算法、標(biāo)準(zhǔn)k - ε 湍流模型進(jìn)行計(jì)算獲得了滿意結(jié)果。前處理時(shí)，邊界條件設(shè)置為壓力入口和壓力出口條件，并設(shè)定入口總壓1 129.5kPa、表壓1 122.5kPa，出口表壓900kPa，介質(zhì)選擇理想可壓縮空氣，計(jì)算模型的套筒開度450mm。

　　2.3、模擬結(jié)果

　　迭代計(jì)算8 000 步后計(jì)算殘差收斂，獲得CFD數(shù)值模擬結(jié)果。根據(jù)結(jié)果得知，計(jì)算模型的入口和出口壓力值與前處理的設(shè)定值相符，出入口質(zhì)量流量為458kg /s，與真實(shí)值460kg /s 的誤差為0.43%( 圖2，圖3) 。

圖2 計(jì)算模型的壓力分布云圖

圖3 閥門軸向速度云圖和速度矢量圖

　　分析可知，風(fēng)洞入口管道內(nèi)的氣體在調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)作用下實(shí)現(xiàn)了壓力的降低，但氣流的壓縮和膨脹變化使調(diào)壓閥流場(chǎng)也變得十分復(fù)雜。一是調(diào)壓閥閥后小片區(qū)域內(nèi)壓力場(chǎng)不均勻且壓差變化大。流場(chǎng)內(nèi)最高靜壓1 130kPa，最低靜壓789kPa。二是對(duì)應(yīng)速度場(chǎng)方面，閥后較長(zhǎng)管道內(nèi)的軸向速度場(chǎng)不均勻不對(duì)稱，核心流偏移至出口管道的上壁面。流場(chǎng)內(nèi)軸向最大速度221m/s，最小速度- 66m/s。三是渦流的存在，閥后導(dǎo)向支桿的一對(duì)渦流尺度較小且有一定對(duì)稱性，而出口管道內(nèi)的一對(duì)渦流尺度大且不對(duì)稱。上述特點(diǎn)決定了氣流流過閥門后，閥門將承受不對(duì)稱不均勻的交變氣動(dòng)載荷破壞和由此引起的振動(dòng)損害，長(zhǎng)期工作會(huì)對(duì)閥門的性能和安全造成影響，也是暫沖式跨聲速風(fēng)洞的共性，有必要對(duì)調(diào)壓閥進(jìn)行改造或新設(shè)計(jì)研究。

3、風(fēng)洞調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　調(diào)壓閥工作時(shí)受交變載荷和振動(dòng)影響，主要原因是壓差和閥后流場(chǎng)非對(duì)稱失穩(wěn)。實(shí)際上，流場(chǎng)環(huán)境很大程度上依賴于閥門的結(jié)構(gòu)形式，因此，對(duì)調(diào)壓閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬驗(yàn)證。

　　3.1、整流錐結(jié)構(gòu)

　　對(duì)調(diào)壓閥增加整流錐其錐度為1.6，安裝于調(diào)壓閥的套筒后端，錐體開直徑2.5cm 和5cm 的兩圈通氣孔用于調(diào)節(jié)壓差，閥門驅(qū)動(dòng)裝置延長(zhǎng)0. 3m，導(dǎo)向裝置及支架構(gòu)件同步外移。結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，通過調(diào)壓閥獨(dú)立運(yùn)行流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析，計(jì)算網(wǎng)格6.9 萬( 圖4、圖5) 。由圖像顯示，帶整流錐閥門流場(chǎng)特性與原模型流場(chǎng)整體相似，但閥門關(guān)鍵區(qū)域的流場(chǎng)得到明顯優(yōu)化。一是壓力場(chǎng)在主調(diào)壓閥的導(dǎo)向裝置和出口管道前端表現(xiàn)出較好的對(duì)稱性和均勻性，雖有壓差存在已明顯減小。流場(chǎng)內(nèi)最高靜壓1 130kPa，最低靜壓769kPa。二是速度場(chǎng)的軸向核心流得到改善，方向稍偏于管道上壁面，特別是通過圖3 和圖5 對(duì)比顯示，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后的主調(diào)壓閥流場(chǎng)變得更為合理。流場(chǎng)內(nèi)軸向最大速216m /s，最小速度- 68m /s。三是渦流的強(qiáng)度和尺度變小，渦流的對(duì)稱性也得到明顯改善。改進(jìn)后，流場(chǎng)整體上表現(xiàn)出了良好的對(duì)稱性和均勻性，說明設(shè)計(jì)整流錐的方案優(yōu)化了流場(chǎng)特性，對(duì)改善閥門受氣動(dòng)力和振動(dòng)破壞具有明顯效果。計(jì)算模型中出入口質(zhì)量流量為450kg /s。

圖4 安裝整流錐的調(diào)節(jié)閥計(jì)算模型的壓力分布云圖

圖5 安裝整流錐的調(diào)節(jié)閥軸向速度云圖和速度矢量圖

　　3.2、并聯(lián)旁路閥結(jié)構(gòu)

　　對(duì)調(diào)壓閥進(jìn)行并聯(lián)旁路閥設(shè)計(jì)，其主要目的在于增加進(jìn)氣量，旁路管道直徑0.33m。計(jì)算模型網(wǎng)格10.6 萬( 圖6、圖7) 。根據(jù)結(jié)果分析，計(jì)算模型數(shù)值模擬所得入口和出口壓力吻合于前處理設(shè)定值，模型出入口質(zhì)量流量為870kg /s，相比調(diào)壓閥獨(dú)立運(yùn)行的流量460kg /s，增量89%，說明旁路在增加風(fēng)洞進(jìn)氣流量方面效果明顯。

　　旁路既增加了流量，又改善了主管道流場(chǎng)的狀況。對(duì)比調(diào)壓閥獨(dú)立運(yùn)行模型分析，在主管道流場(chǎng)中，閥后的壓力場(chǎng)壓差分布雖較為明顯，但不特別突出。流場(chǎng)內(nèi)最高靜壓1 130kPa，最低靜壓471kPa。旁路入口和閥門前端的軸向速度場(chǎng)不均勻，但閥后軸向速度場(chǎng)的均勻性和方向性較好。流場(chǎng)內(nèi)軸向最大速度330m /s，最小速度- 73m /s。閥門導(dǎo)向裝置處的渦流強(qiáng)度與尺度相當(dāng)并有一定對(duì)稱性，主管道閥門出口前端的兩個(gè)渦流強(qiáng)度和尺度較大，但相比調(diào)壓閥原模型有明顯改善。但對(duì)旁路流場(chǎng)而言，旁路區(qū)域內(nèi)存在多處不對(duì)稱不均勻的壓力場(chǎng)，在旁路閥內(nèi)殼體后端表現(xiàn)最為明顯，并有對(duì)稱渦流，主要原因是旁路屬于彎直結(jié)合的不規(guī)則管道，弧度變化大，氣流在旁路流通時(shí)受擾動(dòng)強(qiáng)烈，形成不均勻不對(duì)稱流場(chǎng)。

圖6 并聯(lián)旁路閥的調(diào)節(jié)閥計(jì)算模型壓力分布云圖

圖7 并聯(lián)旁路閥的調(diào)節(jié)閥軸向速度云圖和速度矢量圖

　　3.3、并聯(lián)旁路閥與增設(shè)整流錐結(jié)構(gòu)

　　對(duì)并聯(lián)旁路閥的調(diào)壓閥加設(shè)整流錐，即將增加整流錐方案和并聯(lián)旁路閥方案組合。整流錐參數(shù)及安裝方式與僅增加整流錐相同，網(wǎng)格數(shù)量10. 6 萬( 圖8，圖9) 。結(jié)構(gòu)組合后，流場(chǎng)突出的變化是整流錐的應(yīng)用降低了旁路的流量，旁路的最大流速也減小。此方案在分配主旁管道流量方面優(yōu)于并聯(lián)旁路設(shè)計(jì)，流場(chǎng)的順暢度和主調(diào)壓閥導(dǎo)向裝置處的渦流在設(shè)計(jì)后得到優(yōu)化，整流錐產(chǎn)生了積極效果，但旁路管道和旁路閥受氣動(dòng)力破壞以及振動(dòng)現(xiàn)象依然存在。模型出入口質(zhì)量流量為860kg /s，相比調(diào)壓閥獨(dú)立運(yùn)行，流量增加87%。另外，流場(chǎng)內(nèi)最高靜壓1 130kPa，最低靜壓488kPa，軸向最大速度304m /s，最小速度- 69m /s。

圖8 組合調(diào)節(jié)閥計(jì)算模型的壓力分布云圖

圖9 組合調(diào)節(jié)閥軸向速度云圖和速度矢量圖

4、結(jié)語

　　運(yùn)用CFD 方法對(duì)2.4m 跨聲速風(fēng)洞的調(diào)壓閥流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析閥門的流場(chǎng)環(huán)境和特性，并對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)壓閥流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬和分析，獲得了具有參考意義的結(jié)論。

　　(1) 采用基于壓力的隱式coupled 算法和標(biāo)準(zhǔn)k- ε 湍流模型，對(duì)大型氣體調(diào)壓閥流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算模型的出入口壓力和流量與工程實(shí)際相符，該方法在模擬大型氣體調(diào)壓閥二維有粘可壓縮流場(chǎng)中具有一定運(yùn)用價(jià)值。

　　(2) 在調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案中，并聯(lián)的旁路設(shè)計(jì)增加87% 以上流量，并能一定程度地優(yōu)化流場(chǎng)。整流錐設(shè)計(jì)對(duì)流場(chǎng)優(yōu)化效果明顯，使調(diào)壓閥因交變氣動(dòng)載荷和振動(dòng)破壞有效降低。

　　(3) 整流錐設(shè)計(jì)方案在流場(chǎng)控制和優(yōu)化方面較為簡(jiǎn)單有效，并能降低成本。若從增加流量角度考慮，應(yīng)選擇組合方案。