基于Fluent的船用防爆閥降壓特性研究*

劉 紅，沈少祥，蔣蘭芳，閆 凡

(浙江工業大學 機械工程學院，浙江 杭州 310014)

0 引 言

作為大型柴油機必備的安全閥，船用防爆閥廣泛應用于船舶、石化、煤礦等行業，尤其在船舶領域，國際船級社已經頒布了LACS UR M66技術規范[1]，明確規定新建的船舶發動機必須安裝船用防爆閥。

目前，船用防爆閥的研究取得了一些成果：2000年王文權等人[2]對不同結構的船用防爆閥進行了試驗研究，結果表明國產疊片式阻焰器設計制造是成功的；2006年黃立賢等人[3]在研究防爆閥設計過程中，成功開發了一套柴油機防爆閥爆炸試驗裝置，并取得了相關專利；2008年李潘寶等人[4]對防爆閥阻燃結構進行了改進；2009年KANG等人[5]對曲軸箱安全閥進行了流動特性的研究，通過試驗比較驗證了數值計算方法的有效性，采用運動網格策略可以很好地模擬了閥盤的運動和氣體流動特性；2013年蔣蘭芳等人[6]通過仿真研究了防爆閥的壓力降情況，得到了壓力降分析方法；2013年梁華等人[7]通過研究防爆閥散熱特性和降壓特性，初步解釋了防爆閥機理[8]；2014年BAE等人[9]通過爆炸的流場變化研究了柴油機曲軸箱上的減壓閥流動特性，有利于阻燃片的設計；2015年LEE等人[10]對防爆閥內的壓力彈簧進行仿真與試驗研究，提高了防爆閥性能；2016年AHN等人[11]對防爆閥阻燃片內的溫度變化進行了研究。

目前，針對防爆閥的研究主要通過防爆閥性能試驗完成，理論研究不足，因此本文將通過CFD技術對現有的某型防爆閥阻燃片進行降壓特性研究，總結降壓規律。

1 防爆閥仿真模型建立

1.1 防爆閥結構與工作原理

防爆閥結構如圖1所示。

圖1 防爆閥結構圖

防爆閥由環形底座、面板、彈簧、閥板、阻燃器、內外阻燃圈等構成，其中阻燃器由沖壓成型的阻燃片疊加而成，是防爆閥的關鍵部件。

防爆閥阻燃片與阻燃器如圖2所示。

圖2 防爆閥阻燃片與阻燃器

圖2顯示：阻燃片上有沖壓成的凸臺，凸臺沿周向均勻分布，沿徑向由內到外等間距均勻分布7圈，且相鄰兩圈的凸臺相互交錯分布，外圈凸臺剛好擋在內圈兩凸臺形成的間隙前面。當高溫高壓的氣流沖入流道，先受到凸臺阻擋，與凸臺碰撞損耗壓力，與凸臺壁面熱交換降溫，然后沿凸臺左右方向分成兩股氣流，最后沖入下一個流道，這個過程不斷重復直到沖出防爆閥，實現降壓滅焰的目的。

1.2 模型假設

由于防爆閥內部流場較為復雜，本研究建立分析模型前作如下假設：

(1)防爆閥處于開啟狀態；

(2)氣體是不可壓縮的理想氣體，湍流強度為5%；

(3)氣體的熱物性不變。

1.3 仿真設置

由圖2可知：阻燃片具有周期性軸對稱性質，故本研究取一扇面作為計算域，適當延長尾部作為延伸段用于觀察氣體流出防爆閥后的情況。計算域左端為入口，兩側是對稱邊界，延伸段為出口邊界，其余為壁面邊界。

防爆閥阻燃片計算模型如圖3所示。

圖3 防爆閥阻燃片計算模型

本研究采用ICEM軟件進行網格劃分，考慮近壁區和迷宮通道的復雜，采用非結構四面體網格，設置凸臺壁面網格大小為0.1、0.3、0.5這3組，對應設置尾部延長部分網格大小為0.5、1、2這3組，分別得到309 852、256 632、165 842個網格單元。經仿真計算發現，3種網格質量對出口壓強和溫度的誤差均在7%左右，網格對結果影響不大。本文取凸臺壁面處網格大小為0.5，延伸段網格2，共165 842個網格。

阻燃片網格劃分如圖4所示。

圖4 阻燃片網格劃分

根據實際試驗情況，防爆閥壓力變化范圍為0～0.35 MPa，故本文均勻選取10個壓力值作為入口初始壓力值，間隔為0.035 MPa，入口溫度為2 323 K，其他關鍵設置如下：考慮近壁面對壓力和溫度的影響，開啟能量方程，選擇RNGk-ε湍流模型，勾選加強壁面計算選項，選擇SIMPLEC算法進行運算，動量、湍流動能和湍流耗散率都設置為二階迎風格式，以確保計算精度。

2 仿真結果分析

2.1 阻燃片降壓分析

經過Fluent仿真分析，本研究獲得所有初始壓力下的壓力變化。由于壓力變化類似，本文取70 000 Pa初始壓力圖為例。

70 000 Pa初始壓力下阻燃片壓力場如圖5所示。

圖5 70 000 Pa初始壓力下阻燃片壓力場圖

由圖可知：(1)在不同入口壓力的條件下防爆閥阻燃片內的壓力場變化類似，紅色區域表示壓力值大，藍色區域表示壓力值小；(2)阻燃片內壓力都是從入口到出口方向依次遞減，呈現一個降壓的趨勢變化；(3)阻燃片外延伸部分壓力變化不大，處于正常大氣壓下。

壓力場出現以上現象可以從兩個方面分析：防爆閥的設計角度分析，由于該防爆閥阻燃片結構上類似于迷宮式設計，層層凸臺交相出現，氣道連續而又急劇變化，使得氣流與凸臺、壁面發生劇烈碰撞，從而不斷消耗能量，起到壓力逐級降低的目的。壓力降的角度進行分析，壓力損失或壓力降，是表示裝置能量大小的經濟指標，以裝置進出口處流體的全壓差表示。壓力損失包括沿程壓力損失和局部壓力損失，其中沿程壓力損失為流體在直管中流動時因流體具有的黏性而產生的壓力損失，其值為：

(1)

式中：λ—沿程壓力損失系數；v—平均流速；d—管道內徑；l—管道長度。

局部壓力損失為流體流經如閥口、彎道、通流截面變化等處所產生局部阻力引起的壓力損失，其值為：

(2)

式中：ξ—局部壓力損失系數。

結合阻燃片的結構可以看到，每層凸臺間氣道大小、形狀都是變化的，壓力損失系數也不同，導致高壓氣體經過這類迷宮式的結構中，壓力損失明顯，這就是防爆閥阻燃片降壓機理。

2.2 降壓特性分析

根據10組初始壓力值的防爆閥仿真結果，將不同初始壓力值下防爆閥阻燃片壓力變化整理成表，具體壓力變化如表(1，2)所示。

表1 前5組不同初始壓力值下防爆閥阻燃片壓力變化

表2 后5組不同初始壓力值下防爆閥阻燃片壓力變化

通過表格1和表2可以發現：(1)從表格縱向看，壓力隨著層數的增加不斷減小；(2)從表格橫向看，由于入口壓力不斷增加，同一層的壓力也不斷增加。

根據這些發現，嘗試將表格圖表化，從而讓數據更形象的表達規律。

將以上10組數據放入圖中，如圖6所示。

可以看到：(1)各組數據各自連成的線為曲線，遵循某種規律隨層數下降，與文獻[7]提到的直線略微不同，可能跟結構、尺寸變化有關；(2)初始壓力值越大，曲線走勢越陡峭，初始壓力值越小，曲線走勢越平緩。

為了探究壓力隨層數下降的規律，本研究使用Origin軟件自動擬合功能，通過多次擬合嘗試發現二次函數擬合效果最好，擬合效果指標R值都在0.99以上，各參數歸類成表，擬合曲線參數值如表3所示。

圖6 10組初始壓力下的各層壓力情況

初始壓力(Pin/Pa)ABCR35 000520.92-9 605.243 7510.998 7270 0001 041.8-19 21087 5010.998 72105 0001 562.6-28 814131 2520.998 72140 0002 083.6-38 421175 0040.998 72175 0002 604.3-48 024218 7530.998 71210 0003 125.2-57 628262 5030.998 72245 0003 646.2-67 236306 2560.998 72280 0004 166.9-76 838350 0040.998 72315 0004 687.8-86 443393 7550.998 72350 0005 208.7-96 048437 5050.998 72

注：A，B，C—系數；R—擬合效果評價值，完全擬合時R等于1，下同

根據擬合結果來看，可以認為壓力與層數的關系滿足二次函數關系。

由于不同初始壓力值下，各個圧力曲線的擬合函數是不同的，10組初始壓力值將會有10個表達式反映阻燃片內各層壓力的變化，為了綜合探究不同初始壓力、壓力與層數的關系，需要將10個表達式整合為一個綜合表達式。假設存在這樣一個綜合表達式：

Pn=(0.014 9Pin+0.061 3)n2+
(-0.274 4Pin-0.546 7)n+1.25Pin+0.733 3

(3)

為了使綜合表達式完整可用，必須獲得系數A、B、C所代表的值或表達式，即需要探究同一系數在不同初始壓力值下它的數值變化規律，本研究將表2的數據放入圖表中，系數A、B、C與初始壓力關系如圖7所示。

圖7 系數A、B、C與初始壓力的關系

根據圖7可知：圖中3條線為直線，即系數A、B、C與初始壓力成線性關系，可以通過Origin軟件將曲線線性擬合，獲得如下3個系數表達式，其中擬合效果評價值R都等于1，說明3個系數與初始壓力的關系非常符合一次函數，即：

Pn=(0.014 9Pin+0.061 3)n2+
(-0.274 4Pin-0.546 7)n+1.25Pin+0.733 3

(4)

Pn=(0.014 9Pin+0.061 3)n2+
(-0.274 4Pin-0.546 7)n+1.25Pin+0.733 3

(5)

Pn=(0.014 9Pin+0.061 3)n2+
(-0.274 4Pin-0.546 7)n+1.25Pin+0.733 3

(6)

式中：Pin—壓力入口，以下通用。

將系數A、B、C的表達式(4～6)代入綜合表達式(3)，可得到：

Pn=(0.014 9Pin+0.061 3)n2+
(-0.274 4Pin-0.546 7)n+1.25Pin+0.733 3

(7)

該規律公式僅適用于型號、結構、形狀、尺寸等相同的阻燃片。

3 實驗與結果分析

一般需要通過實驗手段對比公式值與實驗值的差別來驗證規律公式的合理性。但是，一方面阻燃片有特殊性，國標中防爆性能實驗只觀察有無火焰竄出以判斷防爆效果是否合格，并不直接檢測各層壓力變化。另一方面，阻燃實驗是在瞬間完成的，檢測爆炸瞬間氣流經過防爆閥阻燃片的壓力很難，只能通過觀察火焰是否熄滅來檢驗其阻燃性能，但是在實踐生產中，根據本規律公式來指導設計生產的阻燃片裝配成防爆閥后經檢驗具有良好的阻燃性能。

為了驗證該公式的準確性，本研究選擇對比仿真值與公式值情況。在52 500 Pa～332 500 Pa間均勻取5組，間隔70 000 Pa，通過Fluent仿真分析，仿真壓力值與公式值對比如表4所示。

表4 防爆閥阻燃片仿真壓力值與公式計算值對比

通過對比分析可以看到：該公式計算得到的壓力值與仿真得到的壓力值數量級相同，誤差范圍基本都在5%左右，說明該公式能夠反映仿真情況，而且誤差較小，可應用于防爆閥阻燃片的設計，且能夠縮小防爆閥研發周期，同時也能夠反映出阻燃片內部壓力場的變化。

4 結束語

本文采用仿真方法研究了某型防爆閥阻燃片降壓特性，通過降壓分析，從理論上解釋了阻燃片壓力場出

現的沿程壓力損失和局部壓力損失與阻燃片內氣道狹窄、結構布局等有關，通過進一步對10組數據的整理得到了阻燃片內壓力與凸臺層數的關系，進而得到了任意凸臺所在處壓力與初始壓力、凸臺層數的函數規律公式；為了驗證公式的合理性，將公式值與仿真值進行對比，誤差都在5%以內，基本能夠反映阻燃片內壓力變化。

通過該規律公式指導設計生產的阻燃片裝配成防爆閥后，經國標性能試驗檢測，其防爆性能合格。故該研究成果可對防爆閥阻燃片的設計提供指導。