基于CFD方法的低温氦气调节阀工作特性研究.pdf
《基于CFD方法的低温氦气调节阀工作特性研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于CFD方法的低温氦气调节阀工作特性研究.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023 年第 3 期总第 253 期低温工程CRYOGENICSNo.3 2023SumNo.253基于 CFD 方法的低温氦气调节阀工作特性研究张彦昭1孙大明1,2丛立3沈惬1(1浙江大学制冷与低温研究所杭州 310027)(2山西浙大新材料与化工研究院太原 030001)(3江苏克劳特低温技术有限公司常州 213022)摘要:根据 20 K 温区低温氦气调节阀的运行工况,基于 CFD 方法对一台 DN25 低温氦气调节阀内的速度、压力、温度等流动参数进行了仿真研究。得到不同开度和压差下,流线和漩涡的分布情况,确定阀内物理参数大梯度变化位置及规律。针对阀芯与阀座的微小缝隙,研究了氦气从亚音
2、速到超音速变化中压力、速度、马赫数和温度变化特性。计算结果显示,氦气在压力比为 0.495 时达到临界状态,与基于理想气体节流膨胀理论计算的临界压力比仅相差 4.2%。研究结果揭示了调节阀内低温流体性质变化和流动规律,为预测阀门阻塞流发生条件提供了依据。关键词:低温调节阀节流膨胀阻塞流数值模拟中图分类号:TH134,TB663文献标识码:A文章编号:1000-6516(2023)03-0010-07收稿日期:2023-04-26;修订日期:2023-05-29基金项目:浙江省自然科学基金项目(LY21E060008)、山西浙大新材料与化工研究院项目(2022SZ-TD015)资助。作者简介:张
3、彦昭,男,23 岁,硕士研究生。通信作者:孙大明,男,47 岁,副教授。Study on flowing characteristics of cryogenic helium controlvalve based on CFD methodZhang Yanzhao1Sun Daming1,2Cong Li3Shen Qie1(Institute of Refrigeration and Cryogenic,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)(Shanxi-Zheda Institute of Advanced Materials and C
4、hemical Engineering,Taiyuan 030001,China)(Jiangsu Cryote Cryogenic Technology Co.,Ltd.,Changzhou 213000,China)Abstract:Numerical simulation techniques were used to simulate flow parameters(velocity,pressure,temperature)in the valve under operating conditions in the 20 K temperature region.The flow l
5、ine and vortex distribution were obtained for different openings and differential pres-sures,and laws of large gradient changes of physical parameters in the valve were determined.The pressure,velocity,Mach number,and temperature variation characteristics in the transitionfrom subsonic to supersonic
6、 speed for the tiny gap between the spool and the valve seat were alsostudied.The results show that the helium gas reaches a critical state at a pressure ratio of 0.495,which is only 4.2%different from the critical pressure ratio calculated based on the ideal gasthrottling expansion theory.This rese
7、arch provides a reference for understanding the change of thenature and flow pattern of the cryogenic fluid in the regulating valve and predicting the conditionsof chocked flow occurrence.第 3 期基于 CFD 方法的低温氦气调节阀工作特性研究Key words:cryogenic control valve;throttling expansion;chocked flow;numerical simula
8、-tion1引言大科学装置聚焦国家科技发展战略的重点问题,其建设对攻克科学领域关键技术及基础理论难题具有重要意义。中国科学院托卡马克聚变实验装置(EAST)、北京正负电子对撞机(BEPC)、加速器驱动次临界系统(ADS)等系统的超导部件均配置了大型低温制冷系统以维持超导状态,其工作温度均在 20K 以下1。由于液氦具有优良的热力学性能,因此大多低温超导系统都以氦气为工质。在低温制冷系统中,调节阀是实现关键参数调节、维持系统稳定运行的核心设备之一。为优化调节阀性能,提高低温系统的安全性与调节能力,国内外许多学者都对低温调节阀展开了研究2-4。华中科技大学胡康5设计并采用 CFD 方法研究了一款
9、DN25 低温调节阀的流场特性、动态启停特性和轴向传热量,得到不同行程下的阀门内部定常流场和缝隙参数动态变化规律。浙江大学孙大明、张宁、崔广龙等6-7设计了一款 20 K 低温调节阀,并展开试验,对其流量特性、漏热量及热锚位置优化进行了研究。结合数据分析了阀门调节流量的误差来源与比例,对比了不同热锚位置与部件材料对阀门漏热量的影响,提出了有效降低阀杆轴向漏热量的结构方案。An Y J 等8采用数值计算的方法辅助 LNG 船用低温调节阀的设计,对高压降不可压缩气体进行了流动仿真,分析压降、空化效应、流量系数的变化。在空化流及噪声方面国内外也有许多学者进行了深入研究9-12。Jin Zhijian
10、g,Qian Jinyuan 等13研究了阀芯形状对套筒调节阀空化流的影响,仿真结果表明蒸汽主要出现在缝隙中,随着阀芯位移增加,蒸气体积分数先增后减。Balyaba MV 等14通过 CFD数值模拟研究了控制阀出口管路气体自振噪音的形成机理,研制并对比了不同的多孔套筒对抑制气体自激振动的效果,有效地降低了由于气体振动带来的噪音以及对阀门的损伤。总体来看,中国国内对氦气低温调节阀的研究起步较晚,对其工作特性的认识不够深入,严重制约了中国国内氦低温调节阀产品的研发和技术进步。因此,中国已在运行和正在建设的大科学装置中使用的低温氦气调节阀大多为进口产品。本研究面向大科学装置用氦制冷系统的运行要求,根
11、据低温超导系统的工作条件,以 20 K 低温氦气作为工质,对某型 DN25 调节阀建立物理模型并展开数值计算研究,分析阀内压力、速度、温度等物理量场分布,着重研究阀芯与阀座间狭小流道内的参数变化关系,揭示阀内气体节流膨胀、跨临界流动、阻塞流动发展规律。2模型建立及条件设置以某型 DN25 Kv10 的调节阀为研究对象,简化其几何特征,并用 SOLIDWORKS 建立三维模型。将模型导入到 Space claim 中,利用其体积抽取功能,得到不同开度下的阀门流体域。为了降低计算成本,将模型沿着对称面分开,只保留一半。同时在模型中设置合理的影响体(influent body),以便在 ANSYS
12、Mes-hing 模块中采用 influence of body 的方法进行局部加密,满足不同区域不同流速的网格密度需求。图 1经过局部加密的调节阀网格模型Fig.1 Local encrypted mesh of regulating valve由于气体在阀门中压力变化较大,为了使工质的变化尽可能接近真实情况,使用 Fluent 内置的 Nist 真实气体模型。采用压力基求解器,k-omega RNG 模型,根据工况设置压力边界条件。监测进出口流量值,当进出口流量偏差不超过 0.1%时,结合残差进行收敛性判断。3低温调节阀流场特性研究3.1调节阀流场特性分析阀门内部复杂流动是引发结构振动、能
13、量损失、11低温工程2023 年部件磨损的直接因素,而常规试验方法难以对阀门内流动展开准确直观的测量与分析。借助 CFD 仿真,可以对阀内流动状况有更为清晰的可视化分析。以调节阀 100%、50%、10%开度为例,采用 20 K 氦气工质,对低温阀门内部的流场、压力、速度、温度等关键参数的变化规律进行研究。图 2图 4 为阀门整体流线图和对称面流线图。在阀体侧面的上部,流体形成一个大漩涡,流线有明显的空白,这说明此处是一个低压区。根据对称面的面流线图,流线在靠近出口一侧向上断开,在远离出口的一侧横向产生,表明流体是从靠近出口的一段流向远离出口的一端。图 2 100%开度总流线及对称面流线图Fi
14、g.2Total streamline and symmetrical streamline at 100%opening图 3 50%开度总流线及对称面流线图Fig.3Total streamline and symmetrical streamline at 50%opening在阀体侧面空间的下部,流体从流道内喷射而出,沿着阀芯壁面向上流动到接近出口上缘高度后,继续沿着阀门壁面向下回流到阀瓣与阀座缝隙出口。在远离出口一端,流体可与缝隙流出的流体直接汇合,因此可以从对称面的流线图中看见明显的漩涡。而在靠近出口一端,由于大量流体流向出口,回流的流体无法直接从出口处流过,因此是从侧面斜向回流。
15、相应地,在对称面流线图上,靠近出口一侧的下方流线没有形成漩涡,而是从右下角引出。因此,在阀门半模型中,主要存在两个强烈的漩涡,而在完整的阀体内,将对称出现 4 个漩涡。同时,100%这样的大开度下,阀芯与阀座出口距离较远,在远离出口一端的阀 体下部,还 会 产 生 一 个 较 小 的漩涡。图 5图 7 分别展示了 100%、50%和 10%开度下 20 K 氦气阀门对称面压力、速度与温度分布。可见主要的参数变化主要发生于阀芯与阀座之间的狭窄缝隙内。由于流通面积大幅减小,压力降低,流速21第 3 期基于 CFD 方法的低温氦气调节阀工作特性研究图 4 10%开度总流线及对称面流线图Fig.4To
16、tal streamline and symmetrical streamline at 10%opening大幅上升。与水相比,氦气是可压缩性流体,在压力降低的同时比体积增大,节流前后密度可以相差几倍,因此氦气在缝隙内的流速变化更大,缝隙中的流速与管道平缓段的流速相差两个数量级。同时,随着氦气膨胀加速,内能转化为动能,氦气的温度在缝隙中有明显的下降。通过缝隙后,速度大幅降低,温度与压力得到一定恢复。图 5 100%开度阀门压力、速度、温度分布Fig.5Pressure,velocity,and temperature distribution at 100%opening图 6 50%开度阀
17、门压力、速度、温度分布Fig.6 Pressure,velocity,and temperature distribution at 50%opening31低温工程2023 年图 7 10%开度阀门压力、速度、温度分布Fig.7Pressure,velocity,and temperature distribution at 10%opening3.2缝隙间关键参数变化规律从上一节可以看出,工质的状态变化主要发生在阀芯与阀座之间的狭小缝隙内。高调节比阀门缝隙最小低至数十微米,缝隙长度在 1064 mm 之间,工质在极短的距离内发生剧烈的性质变化,容易导致振动与磨损。以 10%小开度阀门为例,
18、固定阀门出口压力为0.3 MPa,在 0.41 MPa 之间每隔 0.1 MPa 设置入口压力条件,对缝隙轴向的参数变化规律展开仿真研究。沿着缝隙轴向,以 0.25 mm 等间距作 120 个切面,研究各截 面上平均参 数及最大参 数变化规律。图 8 给出了不同压力比下各截面最大速度与马赫数的沿程变化,图 9 和图 10 分别为不同压力比下缝隙轴向 最低压力与 最低温度的 变化情况。对应地,图 11 展 示 了 不 同 压 力 比 下 出 口 马 赫 数分布。图 8不同压力比下速度与马赫数沿缝隙轴向分布Fig.8Velocity and Mach number distributionalon
19、g the gap at different pressure ratios图 9不同压力比下压力沿缝隙轴向分布Fig.9Pressure distribution along gap atdifferent pressure ratios图 10不同压力比下温度沿缝隙轴向分布Fig.10Temperature distribution along thegap at different pressure ratios随着流通面积减小,氦气不断膨胀加速,压力和温度随之降低,在缝隙出口附近达到最值。气体41第 3 期基于 CFD 方法的低温氦气调节阀工作特性研究图 11不同压力比缝隙出口马赫数分
20、布Fig.11Mach number distribution under different pressure ratios at gap exit喷出缝隙后,截面突然增大,流速大幅降低,压力小幅回升,而温度 几乎恢复 到与入口温 度相当的 水平。可以发现温度与速度的变化具有相同幅度,且压力比越大,气流温度和速度变化越剧烈。以压力比为 0.7 时为例,缝隙出口最低温度可比入口温度降低 10 K,比焓降低 50 kJ;而速度同步升至高达310 m/s,比动能增加 48 kJ,所增加的比动能与降低的比焓十分接近。在气体喷出缝隙后,气体速度迅速降低到 130 m/s,比动能降低了 39.6 kJ;
21、温度也随之快速回升到 18.2 K,比焓增加了 42.5 kJ。因此,从变化趋势及能量平衡来看,温度与速度变化显然具有高度相关性,气流在缝隙中膨胀加速及离开后的减速过 程中,内能 的变化主要 由动能转 化引起。3.3氦气阀门临界流动条件研究类似于渐缩型喷嘴,阀芯与阀座间的缝隙逐渐收缩,满足一定压力比条件时,气流可以在最小截面达到音速。由于在最小截面处最多只能膨胀到音速,以气体为工作介质的阀门在缝隙处达到临界状态后,进一步增大压力比,流量几乎不再增加,这种状态称为阻塞流。根据喷嘴节流理论,气体在喷嘴中膨胀加速,实际压力比达到临界压力比时,可在最小截面处达到音速。理想气体临界压力比计算公式为:x=
22、pcrp0=2k+1()kk-1(1)式中:x 为临界压力比;pcr为临界压力,Pa;p0为入口压力,Pa;k 为气体绝热指数。由于分子间势能极弱,氦气是最接近理想气体的流体,通常可以使用理想气体的典型方程而不引起太大误差15。表 1 计算了各入口条件下的临界压力比,并列出仿真工况的实际压力比和最大马赫数。如上一节所述,当缝隙出口截面马赫数达到 1 时,由于气流喷出缝隙后截面突扩,气流能进一步膨胀加速,达到超音速状态。因此在大压力比工况下,缝隙出口的最大马赫数可以大于 1。可以发现,对于工况 3,实际压力比与临界压力比相近,最大马赫数也接近 1。若按照线性变化进行计算,则氦气在压力比为 0.4
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 CFD 方法 低温 氦气 调节 工作 特性 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。