該文采用瞬態(tài)模擬方法對開啟過程的穩(wěn)態(tài)泄放流動機理進(jìn)行了研究，采用路徑分析法和流線分析法研究了內(nèi)部和外部泄放流道中流場參數(shù)的變化特點，對比了模型的相關(guān)參數(shù)在典型路徑上的變化關(guān)系。分析了流動的跨音速發(fā)展和演化情況，進(jìn)而說明了安全閥與傳統(tǒng)噴管在超音速機理方面的異同。同時分析發(fā)現(xiàn)喉部并未如傳統(tǒng)理論預(yù)期出現(xiàn)超音速流，而傳統(tǒng)認(rèn)為不會出現(xiàn)超音速流的閥口流場附近區(qū)域(密封面)和反沖盤出口卻出現(xiàn)了全面超音速流。利用所開發(fā)的實驗裝置對開啟過程參數(shù)進(jìn)行了驗證測試。模擬結(jié)果與測試數(shù)據(jù)的對比表明，三維瞬態(tài)模擬和實驗數(shù)據(jù)非常吻合。

　　安全閥在超壓開啟過程中，泄放流道中流態(tài)變化一直是人們關(guān)注的重點。前人關(guān)于這方面的研究大多基于實驗實測和軟件模擬兩個方面。試驗研究一般集中在安全閥性能參數(shù)測定等方面�？档吕�契娃主要采用實驗技術(shù)研究了全啟式安全閥的開啟機理，提出了基于實驗的開高-升力-彈簧力曲線。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。邱曉來用實驗測試了安全閥開啟高度與排量系數(shù)之間的關(guān)系。O.Frommann和J.Cremers研究了泄放過程中的頻跳及振蕩，提出了修正的壓力波動尺度算法。王澤清通過

　　試驗測定升力，整理得到了低和高背壓下微啟式彈簧安全閥升力曲線。周國發(fā)認(rèn)為由于閥瓣流阻導(dǎo)致安全閥一般在亞臨界狀態(tài)工作。安全閥數(shù)值模擬研究一般是對安全閥流動區(qū)域建模，通過計算得出流場參數(shù)分布。目前有兩種模擬和試驗方法，一種是固定開高模擬和試驗，另一種是瞬態(tài)開啟模擬與試驗。固定開高模擬的特點是將安全閥的閥芯固定到某個開啟高度，使密封面內(nèi)外流域連通，然后離散流域進(jìn)行流場分析，其試驗也遵循同一方式。瞬態(tài)模擬則不固定開高，利用動網(wǎng)格技術(shù)和瞬態(tài)動力學(xué)方程(CEL編程)來實現(xiàn)動態(tài)開啟模擬，其試驗也采用瞬態(tài)開啟方式。這兩種方法最重要的區(qū)別在于，瞬態(tài)分析和試驗法充分考慮了開啟過程的動態(tài)特性，尤其運動件和流體的慣性耦合效應(yīng)。而固定開高模擬和試驗法則忽略了開啟過程中流體及開啟部件慣性效應(yīng)。BernhardFollmer在API標(biāo)準(zhǔn)系列安全閥參數(shù)評估研究中，利用3D模型固定開高方法計算可壓縮流動，并將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果很吻合。陳殿京采用固定開高法對兩種湍流模型開啟過程的3D穩(wěn)態(tài)流場和特性進(jìn)行了研究。駱輝采用CFX軟件研究了3D安全閥模型在固定開高下的穩(wěn)態(tài)流場及結(jié)構(gòu)參數(shù)對穩(wěn)態(tài)升力的影響。SongX.G利用3D模型的固定開高法，擬合了升力系數(shù)隨開啟高度變化的關(guān)系式。梁寒雨率先采用2D對稱模型研究了安全閥瞬態(tài)開啟過程閥口流場的數(shù)值求解技術(shù)，并進(jìn)行了試驗驗證。

　　SongX.G采用3D模型瞬態(tài)模擬了安全閥開啟過程中壓力、馬赫數(shù)隨時間變化，但沒有試驗驗證。羅輝東和張清懿用2D瞬態(tài)模擬方法和試驗分別對安全閥瞬態(tài)開啟過程反沖效應(yīng)和流量檢測方法加以研究。朱壽林采用3D瞬態(tài)模型，利用路徑分析法，研究了瞬態(tài)開啟流場相關(guān)參數(shù)在典型路徑上的變化規(guī)律，并進(jìn)行了對比驗證。戴芳芳研究了瞬態(tài)開啟過程中3D模型反沖效應(yīng)機理及其計算，并完成試驗驗證。

　　從安全閥的結(jié)構(gòu)及動作特性看，一般認(rèn)為其流場參數(shù)的變化規(guī)律類似于噴管流動。然而，嚴(yán)格來說安全閥的實際結(jié)構(gòu)和動作過程和噴管有所差別。本文以專利技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合近年來的研究進(jìn)展，采用動網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合動態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對超壓開啟流場機理開展研究，并進(jìn)行瞬態(tài)開啟試驗驗證。

1、三維數(shù)值模擬

　　1.1、建立幾何模型

　　采用CFX的流固耦合方法建立流體域的計算模型，通過Pro/E給出三維1/2模型，如圖1所示。

圖1 三維簡化模型

結(jié)論

　　本文采用CFX動網(wǎng)格技術(shù)對3D模型的瞬態(tài)開啟過程進(jìn)行了模擬分析和試驗驗證，通過路徑和流線分析研究了三維流場參數(shù)的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

　　(1)研究發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定排放階段，安全閥喉部截面除了流道邊緣進(jìn)入超音速狀態(tài)之外，流道截面大部分氣體處于亞音速流態(tài)，并不像噴管理論預(yù)測的那樣整個喉部截面完全進(jìn)入超音速流動。

　　(2)研究發(fā)現(xiàn)，安全閥密封面流道附近和反沖盤出口流道附近存在著強烈的超音速流動。數(shù)據(jù)分析表明，穩(wěn)態(tài)開啟過程中，整個密封面流道進(jìn)入了全面超音速狀態(tài)，這與傳統(tǒng)觀點的預(yù)計完全不同。而反沖盤出口位置只是部分出現(xiàn)超臨界狀態(tài)。

　　(3)數(shù)據(jù)分析表明，安全閥開啟過程中，密封面(閥口)內(nèi)外的氣體參數(shù)存在突變。氣體密度突變導(dǎo)致出口氣體劇烈膨脹，造成動壓突變、速度劇增。

　　(4)瞬態(tài)開啟過程模擬結(jié)果與瞬態(tài)開啟試驗結(jié)果十分吻合，進(jìn)一步證明瞬態(tài)過程模擬結(jié)果的正確性。