pVTt用液壓驅(qū)動快開三通閥設(shè)計(jì)與流場仿真?

徐志鵬，郭 婧，李瀾吉，2，謝代梁

(1.中國計(jì)量大學(xué)浙江省流量計(jì)量技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州310018；2.北海船舶重工有限責(zé)任公司，山東 青島266520)

pVTt(壓力p體積V溫度T時間t)法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的構(gòu)成如圖1所示，其工作原理為：在時間間隔t內(nèi)，氣體進(jìn)入或者排出容積為V的標(biāo)準(zhǔn)容器，依據(jù)進(jìn)排氣前后氣體的壓力p和溫度T以及氣體狀態(tài)方程，從而計(jì)算出進(jìn)排氣的氣體流量[1]。準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好、設(shè)備簡單且易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在中國、美國、英國、日本等多個國家被用做原級標(biāo)準(zhǔn)裝置，主要用于檢定臨界流噴嘴[2－4]。pVTt流量計(jì)量的不確定度主要來源于時間、容器容積以及氣體密度計(jì)算，而時間計(jì)量的不確定度主要源于進(jìn)氣閥門開啟及關(guān)閉過程中進(jìn)氣流量與穩(wěn)態(tài)流量的差異，在實(shí)際操作中通常采用修正閥門啟閉時間來補(bǔ)償這部分差異[5]。

圖1 pVTt氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置示意圖

為減少時間計(jì)量的不確定度，目前主要有兩種方案：一是盡量提高進(jìn)氣閥的響應(yīng)速度，使入口氣體盡快建立臨界流；二是如NIST所采用的三通閥加雙容器方案，氣體進(jìn)過音速噴嘴后首先進(jìn)入緩沖容器，待建立穩(wěn)定的臨界流后再通過三通閥將氣體流向?qū)霕?biāo)準(zhǔn)容器，從而實(shí)現(xiàn)臨界流的“無縫切換”[6]。

由于pVTt原級標(biāo)準(zhǔn)裝置通常需要匹配DN100以上的音速噴嘴檢定，對應(yīng)的進(jìn)氣閥門尺寸較大，常規(guī)的氣缸或電機(jī)控制模式切換時間較長，提高響應(yīng)速度比較可行的是采用單位體積功率比較高的液壓控制方式[7]；另一方面，采用三通閥進(jìn)行臨界流切換，其微觀過程一直缺乏深入研究，切換效果是否能夠達(dá)到預(yù)期、三通閥門切換中間狀態(tài)采用互相不通的“非重疊”模式還是互相連通的“重疊”模式等都未見有研究報(bào)道。“無重疊”模式下，三通閥在其中一個通道完全關(guān)閉后再連通另一個通道，其互不連通的過渡狀態(tài)是否會導(dǎo)致氣流的“阻塞”使得臨界流消失?對于“重疊”模式，雖然避免了可能的“阻塞”過程，但短時間三個方向互通過程中，由于三邊的氣體壓力、溫度均不同，此時入口氣體是否仍為臨界流、入口氣體如何向兩個出口分配?由于氣體流動的復(fù)雜性，常規(guī)一維方法難以結(jié)算。

為此本文一方面提出一種液壓驅(qū)動的快開三通閥，并針對閥門切換過程進(jìn)行流場仿真，研究氣體在閥門動作過程中臨界流的建立和切換情況，并對比分析“非重疊”模式與“重疊”模式。

1 快開三通閥結(jié)構(gòu)與工作原理

所設(shè)計(jì)的快開三通閥的結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，閥口通徑為DN 150 mm，一側(cè)單入口與上游音速噴嘴連通，另一側(cè)兩個出口分別連接下游緩沖容器和標(biāo)準(zhǔn)容器。通過液壓缸驅(qū)動閥芯由此可以更加細(xì)致的了解三通閥的工作過程：上下端蓋的兩個管道口分別與pVTt法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置中的緩沖容器和標(biāo)準(zhǔn)容器相連接，閥芯孔板與端蓋上兩個出口重合時即可實(shí)現(xiàn)入口與對應(yīng)的緩沖容器或標(biāo)準(zhǔn)容器連通。液壓缸的伸縮動作通過曲拐、支撐桿、支撐帽以及轉(zhuǎn)軸的共同作用，轉(zhuǎn)換成為閥芯的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此通過液壓缸的伸縮控制實(shí)現(xiàn)對三通閥工作狀態(tài)的切換[8－9]。

圖2 快開三通閥結(jié)構(gòu)示意圖

該快開三通閥的液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由油源以及相應(yīng)的控制閥門構(gòu)成，系統(tǒng)原理圖如圖3所示。系統(tǒng)額定工作壓力為10 MPa，活塞缸直徑為D＝50 mm、d＝36 mm，蓄能器充氣壓力為8.3 MPa，充氣體積為0.63 L。設(shè)計(jì)動作時間為50 ms。

圖3 快開三通閥的液壓系統(tǒng)原理圖

2 仿真模型與仿真設(shè)置

真實(shí)的閥門結(jié)構(gòu)零部件較多，完全建模難度很大且并無必要。對于本文所關(guān)心的切換過程流場而言，主要建模對象為從臨界流噴嘴開始的入口到三通閥出口部分的流道，其余的密封裝置、固定裝置以及標(biāo)準(zhǔn)容器和緩沖容器加以忽略[10]。

圖4 快開三通閥的流場仿真模型網(wǎng)格圖

在ICEM CFD中創(chuàng)建二維幾何模型，并劃分網(wǎng)格[11]，由于模型比較簡單，只有近壁面和拐點(diǎn)的地方采用的網(wǎng)格的加密，整個模型采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分方式，在驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性的基礎(chǔ)上，所劃分網(wǎng)格如圖4所示，模型網(wǎng)格數(shù)有6萬左右，其中90%以上的網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)優(yōu)于0.4。閥口遮蓋部分采用一個方形區(qū)域模擬，通過仿真過程網(wǎng)格的運(yùn)動模擬閥門狀態(tài)的切換。

仿真過程分為兩個階段：

①臨界流建立過程，音速噴嘴與緩沖容器連通，標(biāo)準(zhǔn)容器出口關(guān)閉，這一過程屬于定常壓縮流動，選用密度(density)穩(wěn)態(tài)(steady)求解器。湍流模型選取的是Realizable k－e模型。其他參數(shù)保持系統(tǒng)默認(rèn)不變，啟用能量計(jì)算方程。

②閥門切換過程，在建立臨界流之后，切換閥門通道以及氣體流向，使臨界流導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)容器，這一過程屬于非定常壓縮流動，選用密度(density)非穩(wěn)態(tài)(unsteady)求解器。湍流模型選取Realizable k－e模型。同時激活動網(wǎng)格模型。其他參數(shù)保持系統(tǒng)默認(rèn)不變，打開能量計(jì)算方程。

采用壓力入口和壓力出口的設(shè)置，其壓力入口為總壓101 300 Pa，靜壓53 486 Pa，壓力出口總壓2 800 Pa。

動網(wǎng)格設(shè)置采用網(wǎng)格層鋪(layering)來實(shí)現(xiàn)，真實(shí)閥芯的運(yùn)動為變速過程，此處采用勻速過程進(jìn)行簡化模擬，通過UDF編寫運(yùn)動函數(shù)模擬遮蓋部分運(yùn)動軌跡[12－14]。

3 “非重疊”模式仿真結(jié)果分析

定常過程的速度云圖如圖5所示，可以看出在該階段，氣體進(jìn)過臨界流噴嘴后建立了較為穩(wěn)定的臨界流，喉部流速為音速，經(jīng)過噴嘴的擴(kuò)展段以后速度達(dá)到峰值。穩(wěn)定的臨界流為后續(xù)切換過程的初始狀態(tài)。

圖5 穩(wěn)定流動過程速度云圖

切換過程根據(jù)閥門的工作模式分為不同的階段，在“非重疊”模式下，0～25 ms為緩沖容器通道逐漸關(guān)閉過程，標(biāo)準(zhǔn)容器通道始終關(guān)閉，在25 ms時為互不連通狀態(tài)，25 ms～50 ms階段為標(biāo)準(zhǔn)容器通道逐漸打開過程，緩沖容器通道始終關(guān)閉。

限于篇幅，此處分別截取 12.5 ms、25 ms、37.5 ms以及50 ms四個時間節(jié)點(diǎn)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，對應(yīng)的速度云圖如圖6所示。

圖6 “非重疊”模式閥門切換速度云圖

從中可以看出：①三通閥切換過程對音速噴嘴喉部的臨界流沒有影響，即使在25 ms兩個出口均關(guān)閉的瞬間也保持了臨界流，可知在出口面積較小的過渡階段氣體在壓差的作用下進(jìn)入了閥體內(nèi)部空間；②在切換前后在兩個管道口處的速度分布圖基本保持一致，說明三通閥實(shí)現(xiàn)了臨界流的順利導(dǎo)流，從而證明了三通閥門用于pVTt切換的可行性。

在0～50 ms的完整閥門切換過程中，兩個出口的流量曲線如圖7所示，可以看出閥門切換過程兩個出口的流量曲線均有一定的波動，另外，通向標(biāo)準(zhǔn)容器的流量在開啟的后段流量較大，說明在切換階段出口變小，氣體在閥體內(nèi)部有一定“緩存”，也解釋了噴嘴處臨界流并未因?yàn)殚y門切換而中止。

圖7 閥門切換過程出口流量曲線

4 “重疊”模式仿真結(jié)果分析

對于切換過程互相連通的“重疊”模式，閥芯需要運(yùn)動的角度比“非重疊”模式至少減少一半，因此在仿真中將切換時間也相應(yīng)減半，即25 ms內(nèi)完成出口切換。取對應(yīng)的中間狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)速度云圖如圖8所示，從中可以看出：①閥門在“重疊”模式切換過程中也不會對音速噴嘴喉部的臨界流產(chǎn)生影響，都能實(shí)現(xiàn)較好的臨界流切換；②切換過程的流場對比“非重疊”模式要更穩(wěn)定，閥體內(nèi)的氣流沒有明顯的“阻斷”現(xiàn)象。

“重疊”模式閥門切換過程中兩個出口的質(zhì)量流量變化曲線如圖9所示，可以看出：①在緩沖容器關(guān)閉過程中，“非重疊”模式的變化趨勢與“重疊”模式比較相近，都是階段性的下降最后趨近于0；②對比“非重疊”模式，“重疊”模式切換過程流向標(biāo)準(zhǔn)容器的氣體流量波動較小，與速度云圖中現(xiàn)象一致；③伴隨著閥門開始動作，兩個出口的流量同時開始變化，直到完全切換結(jié)束，即在整個切換過程中進(jìn)氣氣流向兩個出口同時流動。

圖8 “重疊”模式閥門切換速度云圖

圖9 “重疊”模式閥門切換過程出口流量曲線

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了用于pVTt氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的液壓驅(qū)動快開三通閥，通過液壓系統(tǒng)的高能量密度和液壓油的不可壓縮性實(shí)現(xiàn)閥門的快速切換。針對切換過程的流場仿真表明：①所設(shè)計(jì)的三通閥不管是在“非重疊”模式還是“重疊”模式下工作，都能實(shí)現(xiàn)保證切換過程中音速噴嘴臨界流不中斷，能夠達(dá)到預(yù)期的效果，減少進(jìn)氣階段的不確定性；②在“非重疊”模式切換過程，標(biāo)準(zhǔn)容器出口流量存在一定的波動，但相對于“重疊”模式，其不存在互相連通的過程，進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)容器的氣體流量可以較為的計(jì)量，因此“非重疊”模式更為合理。