通過建立安全閥內(nèi)部流道三維模型，利用ANSYS CFX 進(jìn)行有限元仿真分析，模擬出安全閥在整個動作過程中閥瓣所受升力的變化，確定其升力特性曲線。設(shè)計一種利用位移傳感器和加速度傳感器測量安全閥升力的試驗方法，將試驗結(jié)果與仿真分析結(jié)果相互驗證，最終確定仿真分析結(jié)果的偏差值，從而指導(dǎo)安全閥的設(shè)計與優(yōu)化。

1、概述

　　安全閥作為一種自動閥門，是各類鍋爐、壓力容器和壓力管道等設(shè)備不可缺少的安全附件，起到超壓保護(hù)作用，其廣泛應(yīng)用在石油、化工和電站等行業(yè)。彈簧直接載荷式安全閥是目前應(yīng)用最廣泛的一種安全閥，該結(jié)構(gòu)安全閥利用彈簧力實現(xiàn)閥門的密封與回座。安全閥升力與彈簧力之間的關(guān)系是影響彈簧直接載荷式安全閥啟閉和密封等性能的重要因素。因此，安全閥的升力特性成為其基礎(chǔ)技術(shù)研究的重點。

　　本文利用有限元仿真分析軟件ANSYS CFX 對安全閥內(nèi)部流體模型進(jìn)行仿真分析，模擬安全閥開啟過程中閥瓣所受升力變化，并進(jìn)行試驗驗證，通過對比，最終確定安全閥升力曲線的數(shù)值模擬分析方法。

2、仿真分析

　　2.1、物理模型

　　將安全閥開啟分為10 個過程，在各個過程的開度下分別建立安全閥內(nèi)部流道的三維模型，由于安全閥成對稱分布，取半拋模型進(jìn)行分析( 圖1) 。

　　2.2、控制方程

　　閥門內(nèi)部的高溫高壓過熱蒸汽流動為三維湍流可壓縮流動，其通用控制方程為

　　2.3、求解方法和邊界條件

　　本文采用有限元體積法利用耦合求解器對控制方程進(jìn)行求解，離散格式為二階。網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，在流道的細(xì)小結(jié)構(gòu)處以及閥瓣位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，建立4 層壁面邊界，安全閥流場網(wǎng)格如圖2 所示。

表1 通用變量、擴(kuò)散系數(shù)與源項的表達(dá)式

圖2 流程模型網(wǎng)格

　　安全閥內(nèi)的介質(zhì)為過熱蒸汽，選取Steam5 介質(zhì)模型。由于需考慮流體動能帶來的熱量變化，因此選擇適合高速流體及可壓縮流體的“Total Energy”熱傳遞模型。然后根據(jù)工況，定義安全閥入口的壓力和溫度值，以及出口的壓力值，最終求解出安全閥內(nèi)部流體特性。

　　2.4、求解結(jié)果

　　以安全閥起跳到行程9 mm 為例，提取安全閥內(nèi)介質(zhì)流動情況( 圖3) 和對稱面的壓力變化情況( 圖4) 。

圖3 對稱面流速云圖

圖4 對稱面總壓云圖

　　根據(jù)分析數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)的對比情況得出其原因。

　　(1) 仿真分析對安全閥內(nèi)介質(zhì)與閥門之間的摩擦系數(shù)不能很好的確定，使仿真分析值偏大。

　　(2) 安全閥閥瓣后部有背壓，仿真分析時不能很精確的模擬出來，使仿真分析值偏大。

　　(3) 閥瓣動作時，閥瓣套筒與導(dǎo)向套之間有摩擦，使試驗測得閥瓣升力偏小。

3、結(jié)語

　　根據(jù)模型仿真分析結(jié)果可以得出建立安全閥流道三維模型，利用ANSYS CFX 數(shù)值模擬的方式分析出的閥瓣升力曲線，通過對比試驗數(shù)據(jù)，證明仿真分析所得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。在安全閥的設(shè)計中可以使用有限元數(shù)值模擬的方法計算安全閥起跳過程中升力的變化情況，可以根據(jù)其結(jié)果對安全閥進(jìn)行優(yōu)化。為了更為準(zhǔn)確的計算出閥瓣升力值，可以將分析值乘以90%作為最終的模擬值。