40 MPa超高壓條件下某新型單向閥的流場仿真計算分析

周宗和

(海軍駐武漢四三八廠軍事代表室，湖北武漢 430060)

針對現有閥開啟快速性差、易卡死、噪聲大［1－4］等缺點，設計了一種新型閥，新型單向閥［5－6］與俄羅斯閥在閥芯結構上類似，同樣具有良好導流作用的尖錐頂端，主要的差異在于俄羅斯閥的進氣流道上部有收縮口結構，而新型單向閥為直道。同時，與現有閥相比，新型單向閥增大了閥芯長度，擴大了閥芯側壁溢流間隙，以及改變了四壁面溢流孔的直徑。

利用Fluent軟件［7］對該新型閥、現有閥及俄羅斯閥3種閥進行流場仿真計算分析，經歷了結構分析、3維建模、網格劃分、仿真計算等主要過程，為探索超高壓條件下的有效仿真手段和計算公式及參數進行了大量的分析和試驗工作，最終順利完成了40 MPa條件下的流場仿真任務。

1 新型單向閥與現有閥的結構對比分析

如圖1所示，新型單向閥與現有閥的優劣差異主要體現在以下幾點:

(1)與現有閥相比，增大了新型單向閥的閥芯長度，使閥芯運動導向性得到大大改善，有效避免了閥芯發生偏斜導致受力失衡而卡死的故障。

(2)增大了新型單向閥閥芯側壁溢流間隙，并增大了四壁面溢流孔的直徑。大幅提升了閥芯開啟過程中，閥芯背部困水區域海水溢流排出的能力，使閥芯運動速度大為提高，有效提高了閥門開啟的快速性。同時，側壁溢流間隙的增大，也使閥芯與導向筒壁間的接觸面積大為減小，有效減小了壁面間的摩擦力，對于防止閥芯卡死、提高閥芯開啟的快速性也具有極大的幫助。

(3)在完全開啟之后，新型單向閥的開度大于現有閥的開度，使得新型單向閥的空氣質量流量要大于現有閥，并且在工作狀態下，新型單向閥的徑向偏載力要小于現有閥。

圖1 新型單向閥和現有閥結構對比

2 新型單向閥與俄羅斯閥的結構對比分析

如圖2所示，新型單向閥與俄羅斯閥的閥芯結構類似，同樣具有良好導流作用的尖錐頂端，主要的差異在于俄羅斯閥的進氣流道上部有收縮口結構，而新型單向閥為直道。由于收縮口的存在，俄羅斯閥進氣道上的最小過流面積要大大小于新型單向閥，這嚴重影響了氣體的流通能力，在高壓差下氣體均是以相同的接近音速的勻速流動，氣道的流通截面大則氣體的質量流量大，所以相同通徑的俄羅斯閥單位時間的空氣流量要遠小于新型單向閥，不利于以單位時間內輸氣量最大為目標的既定工作任務。

圖2 新型單向閥和俄羅斯閥結構對比

3 3類閥的仿真對比分析

對該新型單向閥、現有閥和俄羅斯閥等3種閥進行超高壓條件下的流場計算機仿真，仿真的三維模型用SolidWorks軟件建立，采用Fluent的前處理軟件Gambit劃分網格。其中，仿真計算模型選用穩態三維模型，湍流模型選用的是k-ε Realizable模型。并且確定了計算邊界條件:流體入口為壓力入口(Pressure-inlet)，表壓為40 MPa，出口為壓力出口(Pressure-outlet)，表壓為4.5 MPa。

然后，分析其工作過程中的壓力、流量、噪聲等情況以及閥芯 (下閥盤)的受力情況，經過對3種閥的流場深入對比分析，獲得以下結論。

3.1 壓力場仿真

在3、6、12 mm和最大開度4種情況下，分別對20通徑3種閥的壓力場進行仿真計算。圖3—5為3種閥在最大開度時壓力場分布情況。

圖3 閥口最大開度 (23.5 mm)時新型單向閥壓力場分布(徑向偏載力F1=9 N，軸向力F2=6 012 N)

圖4 閥口最大開度 (16 mm)時現有閥壓力場分布(徑向偏載力F1=396 N，軸向力F2=32 482 N

圖5 閥口最大開度 (23.5 mm)時俄羅斯閥壓力場分布(徑向偏載力F1=35 N，軸向力F2=5 344 N)

(1)由于開關閥氣體出口僅有一個且布置在容腔側壁，屬于非對稱結構體，因此3種閥在氣體流動時閥芯周圍壓力場分布不均勻，形成指向閥口的壓力梯度，造成持續有方向指向空氣出口的徑向偏載力，且該偏載力并非定值而是與閥芯開度呈非線性關系，對閥芯的運動造成嚴重影響。

(2)由壓力場仿真結果可知:在相同的進氣壓力的條件下，在開度較小和閥完全開啟后，新型單向閥相比現有閥閥芯周圍壓力場分布比較均勻，造成的指向閥口的壓力梯度較小，因此對閥芯的徑向偏載力比現有閥小，閥芯運動所受阻力較小，更易于快速開啟。由于俄羅斯閥的收縮口有利于壓力差的均勻分布，俄羅斯閥閥芯所受的徑向偏載力也較小。

3.2 速度場仿真

在3、6、12 mm和最大開度4種情況下，分別對20通徑3種閥的速度場進行仿真計算。圖6—8為3種閥在最大開度時壓力場分布情況。

圖6 閥口最大開度 (23.5 mm)時新型單向閥速度場分布(進口質量流量:10.99 kg/s)

圖7 閥口最大開度 (16 mm)時現有閥速度場分布(進口質量流量:10.8 kg/s)

圖8 閥口最大開度 (23.5 mm)時俄羅斯閥速度場分布(進口質量流量:3.66 kg/s)

速度場仿真結果表明:

在高壓氣體通過閥芯與上閥腔間的開口進入下閥腔后，新型閥及現有閥均會產生明顯的氣流漩渦，增加了氣體流動的湍流程度，使下閥腔壓力場處于快速擾動變化狀態，導致閥芯受到的徑向偏載力也時刻在擾動變化，閥芯與導向的壁面間也存在一定的間隙，在交變的偏載力作用下相互間不斷碰撞發出高頻噪聲。

在相同的進氣壓力及閥口開度條件下，新型單向閥和俄羅斯閥由于尖錐頂端的導流作用，在下閥腔僅在閥芯頂端分界面以上產生一個大的氣流漩渦，分界面以下呈現層流流動，而現有閥由于閥芯無導流面且呈直角外形，氣體流過后在分界面以上及以下各產生一個漩渦，增大了氣流在下閥腔內的湍流程度，增大了閥芯的徑向偏載力。

俄羅斯閥進氣流道上部有收縮口結構，流場仿真結果表明該收縮口具有一定的對氣流加速能力。但是，與新型單向閥相比，俄羅斯閥的流速大流量卻要小很多，主要原因在于收縮口雖然對氣體有加速作用，但畢竟是減小了通流截面，對氣體有節流作用。

3.3 噪聲場仿真

在3、6、12 mm和最大開度4種情況下，分別對20通徑3種閥的噪聲場進行仿真計算。圖9—11為3種閥在最大開度時壓力場分布情況。

圖9 閥口最大開度 (23.5 mm)時新型單向閥噪聲分布

圖10 閥口最大開度 (16 mm)時現有閥噪聲場分布

圖11 閥口最大開度 (23.5 mm)時俄羅斯閥噪聲分布

噪聲場仿真分析表明:首先應說明噪聲場的仿真結果只能描述由于氣體流動引起的噪聲情況，不能得到閥芯在交變徑向偏載力作用下與壁面撞擊產生的噪聲情況。噪聲場的仿真結果表明:氣體流動產生的噪聲主要發源于壓縮空氣流過閥芯與閥口間的間隙后至出口間的空間，該處湍流度非常高因而氣動噪聲突出。仿真結果對比表明:在3種閥的開啟過程中，噪聲范圍相差不大。而在3種閥完全開啟進入工作后，與現有閥相比，新型單向閥由于有閥芯尖錐導流帽等合理的結構，流場湍流度較小因而較高噪聲范圍較小;俄羅斯閥雖然也有尖錐導流帽的引流作用，但由于有收縮口的存在氣體流速相對較高，也將產生比新型單向閥更大的噪聲。

4 結論

通過實際應用，并與現有閥和俄羅斯閥進行對比，由于新型單向閥采用了創新的結構設計和優化的參數，有效解決了原現有閥開啟快速性差、易卡死、噪聲大的缺點，性能和可靠性得到了大幅提高。與俄羅斯閥比較，在具有和其類似的優良氣動和結構特性的同時，有效增大了單位時間的空氣流量，使進氣效率得到大幅提高，進一步驗證了上述仿真對比分析的研究結果。

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