集體防護系統超壓控制閥性能的數值模擬與優化

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(中國艦船研究設計中心，上海 201108)

作為海上作戰和事故救援的主要力量，水面艦艇可能隨時面臨核生化安全的威脅[1-3]。艦用核生化集體防護系統是實現水面艦艇可以在核生化環境中執行任務的唯一快速、先進、高效的防護手段，其具備防護范圍廣、防護時間長、對人員工作、生活和設備運行影響較小等優勢[4]，是世界各海軍強國水面艦艇先進性的重要衡量指標之一[5-6]。集體防護系統作為水面艦艇在核生化環境中執行任務的高效的防護手段，其工作機理是在艦艇上劃分出一個特定的區域，對其采取相應的密閉措施并維持該區域相對外界存在一定的正壓差來阻止外部核生化污染物進入該區域。這一特定的區域稱為集體防護區(以下簡稱為集防區)，這個特定的正壓差成為集防區超壓值。集防區超壓值太高則對應的空調系統的配置需要提升，對集防區密性提出更高的要求，且人員舒適性也會降低；超壓值太低又不能有效抵御外部核生化污染物的進入。參考歐美海軍相關規范，超壓值大概維持在300～500 Pa[7-9]。超壓控制閥是一種用于集體防護系統微差壓控制的特殊閥門，它能夠在兩個空間之間或一個空間與外界之間形成微小的壓力差，可以達到防止相互交叉污染的目的。

目前對普通閥門的壓差波動控制及閥門阻力特性研究已經取得了諸多成果。在實驗方面，通過實驗研究建立了閘閥局部阻力系數與相對開度的數學模型，指出閥門的局部阻力系數不僅與開度有關，還與管徑密切相關[10]。在數值模擬方面，文獻[11]簡述了閥門研究的現狀和發展歷程。有學者采用雷諾平均的k-ε湍流模型對不同類型的閥門結構進行了數值模擬，比較了不同的湍流模型對數值模擬精度的影響，并對閥體進行了優化設計[12-15]。

國內外對超壓控制閥的實驗和數值模擬的研究工作甚少，主要原因是超壓控制閥由于啟閉壓力較低，在實際工程應用中有一定的困難，管路內的控制系統及閥門結構的形狀，對其控制壓力波動以及閥門性能具有決定性的作用。采用標準的湍流模型，對目前國內艦艇使用的一種超壓控制閥的流場特征及閥門特性進行數值分析和研究，將數值模擬結果與實驗結果作對比分析，同時建立了簡化型閥門的數值模型。通過對簡化型閥和原型閥的數值分析，在簡化型閥基礎上將原型閥的閥瓣形狀進行優化設計，在此基礎上提出優化方案，以此來提高超壓控制閥的使用性能。

1 控制方程及數值模型

1972年Lunder和Spalding在湍動能k方程基礎上引入關于湍動能耗散率ε的方程，兩者形成了標準的k-ε湍流模型。該模型是目前使用最為廣泛的湍流模型，在科學研究及工程實際中得到了最為廣泛的檢驗和成功的應用，因此文中采用此模型對超壓控制閥件的性能進行數值模擬與分析。

在該模型中，表示湍動能耗散率的ε被定義為

(1)

在該湍流模型中，k和ε是兩個基本的未知量，與之相對應的輸運方程為

(3)

(3)

圖1為一種超壓控制閥的模型示意圖。超壓控制閥包括管路、閥門控制系統、閥桿、閥瓣、閥室、測量盤以及阻力板等組成部分。閥門開度由閥門控制系統中的步進電機來調節閥桿位置，推動閥瓣向閥室內運動，達到調節超壓控制閥前后壓差的作用。由于該閥安裝在艙室與露天接觸的邊界上，容易受到外界氣流場變化影響而產生一定的擾動，因此，在閥體內部設立阻力板，其作用是減緩擾動。但其缺點也較為明顯，即會減少通過的氣體流量。

圖1 超壓控制閥件結構示意

超壓控制閥的數值模型根據圖1建立。由于超壓控制閥為軸對稱形狀，故在數值模擬時，根據超壓控制閥的實物圖建立二維軸對稱模型。為了方便比較超壓控制閥內部結構特性對其性能的影響，分別建立當閥門開度為50%時的原型閥、無阻力板型閥與簡化閥的數值模型。原型閥數值模型考慮了閥桿、控制系統以及阻力板等機構對其性能影響，無阻力板型閥去掉了原型閥中的阻力板，簡化閥模型對閥門內部以及閥室后方的后階梯狀結構進行簡化，僅保留閥瓣。為消除超壓控制閥進出口管路長度對閥瓣前后閥室內流場的影響，在進出口管路各延伸10D，其中D為管路直徑。

對所建立的幾何模型采用結構化網格進行網格劃分，閥瓣壁面及附近的網格考慮邊界層的影響，對網格進行局部加密。兩種模型的網格劃分示意見圖2，原型閥與無阻力板型閥的網格數量均為39 311，僅阻力板處邊界設計不同，簡化閥網格為22 952。

圖2 超壓控制閥網格示意

采用Fluent軟件進行數值計算。在數值計算過程中，假設閥室內氣體不可壓，壓力速度耦合采用SMPLE進行處理。邊界條件統一設置：進口邊界條件設置為速度進口，出口邊界條件設置為自由出流，下邊界條件設置為對稱邊界，其余均設置為壁面邊界。

2 數值模擬結果分析

在原型閥門基礎上對超壓控制閥內部特征進行簡化，對比原型閥與簡化型閥的性能。因此首先給出了原型閥與簡化閥流場中的壓力、速度的數值結果。兩個超壓控制閥模型內部壓力云圖分布的數值結果見圖3。

由圖3可見，原型閥中由于有阻力板的存在，兩者的壓力分布存在很大的差異。原型閥阻力板前后的壓力變化尤為顯著，存在一個較大的壓差；而在閥瓣前也存在一定的壓差。這個壓差較小，可以預見在閥瓣運動調節時對整個閥壓降影響較小，調節平滑。而簡化閥在閥瓣前后形成較顯著的壓差變化，尤其在閥瓣和閥室交界處壓力場分布明顯不均，這意味著在閥瓣運動調節時會產生一個較為明顯的擾動。

圖3 壓力分布云圖數值結果

超壓控制閥模型中速度場分布的數值結果見圖4。由圖4可見，在原型閥中由于阻力板的存在，在閥內有較大的漩渦流動存在，主要分布在閥瓣與阻力板之間。在阻力板前后有較大區域的低速流動區域，當流體流經閥瓣時，在閥瓣后方并不能充分發展。簡化型閥門中剔除阻力板及其他機構以后，閥瓣前后的速度場分布相對均勻，僅在閥瓣后方及閥瓣的上方存在漩渦結構，速度場分布得到明顯改善。

圖4 速度場分布數值結果

原型閥與簡化型閥的流量壓差曲線見圖5。由圖5可見，原型閥中管路中的流量隨著閥門前后的壓差的增加緩慢，由于原型閥門內控制系統、阻力板、測量盤等引起的壓力損失，尤其是阻力板的存在很大程度上改變了超壓控制閥內流場及壓力分布。在閥件前后壓差Δp=500 Pa時，流量在630 m3/h；若管路流量達到1 000 m3/h時，其閥件前后壓差Δp需要達到1 100 Pa，其流動阻力很大。

圖5 原型閥與簡化閥性能對比

簡化型超壓控制閥中管路中的流量隨著閥件前后壓差的增加而急劇增加，若達到與原型閥管路中同樣的流量，閥件前后的壓差Δp僅為160 Pa左右。如果僅去除阻力板保留控制系統等其他部件，其流量性能比簡化型略差，可見其影響流量主要的因素為設置了阻力板。設置了阻力板的閥件，增加了超壓控制閥前后的壓差損失，減少了管路流量，從而降低了閥門的流量特性。但在另一方面，使得流量曲線更為平緩，增強了調節能力。

為了對比數值模擬結果的準確性，對閥件實物進行試驗。試驗僅對無阻力板的實物閥進行了測試、無阻力板閥件實驗數據與數值計算結果進行對比，見圖6。試驗測得當流量達到1 000 m3/h時，閥門的閥前后壓差約為220 Pa。對于去阻力板型閥門和簡化型閥門，計算所得的流量與閥門前后壓差之間的關系曲線均較為陡峭，當流量達到1 000 m3/h時，其壓差分別處于260 Pa和150 Pa。結果表明，實驗值介于無阻力板數值結果和簡化型數值結果之間，三者結果較為接近，仿真計算的結果基本準確可信。

圖6 數值模擬結果與實驗值對比

3 超壓控制閥閥瓣形狀的優化

數值模擬結果表明，除了阻力板之外，閥內主要的阻力損失集中在閥瓣處。該處旋渦區依然較大并造成整體壓力分布不均勻，對閥門整體性能產生不利的影響。阻力板是為減少外界氣流擾動而設置的，可以隨著使用需求而取消。因此改善閥室內的流動狀態主要考慮改善對閥件中的主要部件-閥瓣進行形狀上的優化，從而減少閥室內的漩渦來降低壓力損失，從而提高超壓控制閥的整體性能。

根據簡化型閥門的流場分布特征，分別設計了尾凸和首尾凸兩種閥瓣形狀進行研究，建立數值模型并劃分網格，見圖7。網格數分別為13 110和12 914。尾凸型閥瓣模型是通過優化尾部型線改善閥門閥瓣后方的流場狀態，而首尾凸型是通過修改首部型線來改善其流場狀態。

圖7 超壓控制閥閥瓣的優化數值模型

將優化的閥瓣模型的數值模擬結果以及原型閥的數值結果與實驗結果做對比，圖8中給出了超壓控制閥特性的流量壓差曲線。結果表明，優化型閥門閥瓣的性能要優于無阻力板原型閥，在流量為1 000 m3/h的情況下，優化型閥門閥瓣的壓差相對于無阻力板的閥門的壓差降低了7.5%，性能與簡化型模型相當。說明通過對閥瓣形狀的優化可以抵消掉部分由控制系統等其他機構帶來的阻力損失。

圖8 優化型閥瓣數值模擬結果

圖9和圖10分別給出了不同壓差下的閥門流量系數和兩種閥瓣型線優化后的壓差改變幅度。結果表明，經過閥瓣的型線優化之后，超壓控制閥的流量-壓差性能得到提高。從流量系數來看，優化后的兩個模型的流量系數都超過0.55，最大達到0.64，特別是尾凸型閥瓣在閥瓣前后壓差較小時表現出更良好的特性，而存在臨界的前后壓差值；當大于某個臨界壓差時，首尾凸型閥瓣的性能要高于尾凸型閥瓣。經過優化的兩個閥瓣的性能均比簡化型閥門要高。

圖9 超壓控制閥流量系數變化特性

圖10 兩種閥瓣型線優化后的閥門前后壓差改變百分比

對比兩個優化型閥門的閥瓣，在管路流量較小時，尾凸型閥瓣壓差改變的比例要遠大于首位凸型閥瓣；隨著管路流量的增加，尾凸型閥瓣的前后壓差的變化逐漸呈線性減小的趨勢，而首位凸型閥瓣的前后壓差的改變比例基本維持在10%上下浮動。無論尾凸型閥瓣還是首尾凸型閥瓣，均對提高閥門的性能有較好的效果，但相對于尾凸型閥瓣，首尾凸型的閥瓣的厚度增加，在實際加工和應用過程中受到一定的限制。

4 結論

1)通過對超壓控制閥閥室內流場特征分析，結果表明，超壓控制閥內的壓力波動和損失主要由閥瓣和閥室形狀引起，尤其是當原型閥中有阻力板存在時，增加了超壓控制閥前后的壓差損失，減少了管路流量，從而降低了閥門的流量特性。另一方面，使得流量曲線更為平緩，增強了調節能力。在實際使用中可根據實際情況來選擇使用。

2)除了阻力板之外，閥內主要的阻力損失集中在閥瓣處。該處旋渦區依然較大并造成整體壓力分布不均勻，對閥門整體性能產生了不利影響。在原型閥的數值結果的基礎上，提出了兩種閥瓣型線優化方案。仿真計算結果表明，提出的優化型閥門閥瓣的壓差相對于原型閥的壓差降低了7.5%，其閥門的性能得到了一定提升。

下一步對集防系統的超壓控制閥研究，將主要集中兩個方向：①提高控制系統的響應能力和精度，通過主動控制來消除壓力波動的影響從而可以取消阻力板，進一步提升閥門的整體性能；②采用試驗和仿真結合的手段，對閥體內部尤其是閥瓣進行結構優化，進一步優化閥體的流量特性。