集体防护系统超压控制阀性能的数值模拟与优化

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(中国舰船研究设计中心，上海 201108)

作为海上作战和事故救援的主要力量，水面舰艇可能随时面临核生化安全的威胁[1-3]。舰用核生化集体防护系统是实现水面舰艇可以在核生化环境中执行任务的唯一快速、先进、高效的防护手段，其具备防护范围广、防护时间长、对人员工作、生活和设备运行影响较小等优势[4]，是世界各海军强国水面舰艇先进性的重要衡量指标之一[5-6]。集体防护系统作为水面舰艇在核生化环境中执行任务的高效的防护手段，其工作机理是在舰艇上划分出一个特定的区域，对其采取相应的密闭措施并维持该区域相对外界存在一定的正压差来阻止外部核生化污染物进入该区域。这一特定的区域称为集体防护区(以下简称为集防区)，这个特定的正压差成为集防区超压值。集防区超压值太高则对应的空调系统的配置需要提升，对集防区密性提出更高的要求，且人员舒适性也会降低；超压值太低又不能有效抵御外部核生化污染物的进入。参考欧美海军相关规范，超压值大概维持在300～500 Pa[7-9]。超压控制阀是一种用于集体防护系统微差压控制的特殊阀门，它能够在两个空间之间或一个空间与外界之间形成微小的压力差，可以达到防止相互交叉污染的目的。

目前对普通阀门的压差波动控制及阀门阻力特性研究已经取得了诸多成果。在实验方面，通过实验研究建立了闸阀局部阻力系数与相对开度的数学模型，指出阀门的局部阻力系数不仅与开度有关，还与管径密切相关[10]。在数值模拟方面，文献[11]简述了阀门研究的现状和发展历程。有学者采用雷诺平均的k-ε湍流模型对不同类型的阀门结构进行了数值模拟，比较了不同的湍流模型对数值模拟精度的影响，并对阀体进行了优化设计[12-15]。

国内外对超压控制阀的实验和数值模拟的研究工作甚少，主要原因是超压控制阀由于启闭压力较低，在实际工程应用中有一定的困难，管路内的控制系统及阀门结构的形状，对其控制压力波动以及阀门性能具有决定性的作用。采用标准的湍流模型，对目前国内舰艇使用的一种超压控制阀的流场特征及阀门特性进行数值分析和研究，将数值模拟结果与实验结果作对比分析，同时建立了简化型阀门的数值模型。通过对简化型阀和原型阀的数值分析，在简化型阀基础上将原型阀的阀瓣形状进行优化设计，在此基础上提出优化方案，以此来提高超压控制阀的使用性能。

1 控制方程及数值模型

1972年Lunder和Spalding在湍动能k方程基础上引入关于湍动能耗散率ε的方程，两者形成了标准的k-ε湍流模型。该模型是目前使用最为广泛的湍流模型，在科学研究及工程实际中得到了最为广泛的检验和成功的应用，因此文中采用此模型对超压控制阀件的性能进行数值模拟与分析。

在该模型中，表示湍动能耗散率的ε被定义为

(1)

在该湍流模型中，k和ε是两个基本的未知量，与之相对应的输运方程为

(3)

(3)

图1为一种超压控制阀的模型示意图。超压控制阀包括管路、阀门控制系统、阀杆、阀瓣、阀室、测量盘以及阻力板等组成部分。阀门开度由阀门控制系统中的步进电机来调节阀杆位置，推动阀瓣向阀室内运动，达到调节超压控制阀前后压差的作用。由于该阀安装在舱室与露天接触的边界上，容易受到外界气流场变化影响而产生一定的扰动，因此，在阀体内部设立阻力板，其作用是减缓扰动。但其缺点也较为明显，即会减少通过的气体流量。

图1 超压控制阀件结构示意

超压控制阀的数值模型根据图1建立。由于超压控制阀为轴对称形状，故在数值模拟时，根据超压控制阀的实物图建立二维轴对称模型。为了方便比较超压控制阀内部结构特性对其性能的影响，分别建立当阀门开度为50%时的原型阀、无阻力板型阀与简化阀的数值模型。原型阀数值模型考虑了阀杆、控制系统以及阻力板等机构对其性能影响，无阻力板型阀去掉了原型阀中的阻力板，简化阀模型对阀门内部以及阀室后方的后阶梯状结构进行简化，仅保留阀瓣。为消除超压控制阀进出口管路长度对阀瓣前后阀室内流场的影响，在进出口管路各延伸10D，其中D为管路直径。

对所建立的几何模型采用结构化网格进行网格划分，阀瓣壁面及附近的网格考虑边界层的影响，对网格进行局部加密。两种模型的网格划分示意见图2，原型阀与无阻力板型阀的网格数量均为39 311，仅阻力板处边界设计不同，简化阀网格为22 952。

图2 超压控制阀网格示意

采用Fluent软件进行数值计算。在数值计算过程中，假设阀室内气体不可压，压力速度耦合采用SMPLE进行处理。边界条件统一设置：进口边界条件设置为速度进口，出口边界条件设置为自由出流，下边界条件设置为对称边界，其余均设置为壁面边界。

2 数值模拟结果分析

在原型阀门基础上对超压控制阀内部特征进行简化，对比原型阀与简化型阀的性能。因此首先给出了原型阀与简化阀流场中的压力、速度的数值结果。两个超压控制阀模型内部压力云图分布的数值结果见图3。

由图3可见，原型阀中由于有阻力板的存在，两者的压力分布存在很大的差异。原型阀阻力板前后的压力变化尤为显著，存在一个较大的压差；而在阀瓣前也存在一定的压差。这个压差较小，可以预见在阀瓣运动调节时对整个阀压降影响较小，调节平滑。而简化阀在阀瓣前后形成较显著的压差变化，尤其在阀瓣和阀室交界处压力场分布明显不均，这意味着在阀瓣运动调节时会产生一个较为明显的扰动。

图3 压力分布云图数值结果

超压控制阀模型中速度场分布的数值结果见图4。由图4可见，在原型阀中由于阻力板的存在，在阀内有较大的漩涡流动存在，主要分布在阀瓣与阻力板之间。在阻力板前后有较大区域的低速流动区域，当流体流经阀瓣时，在阀瓣后方并不能充分发展。简化型阀门中剔除阻力板及其他机构以后，阀瓣前后的速度场分布相对均匀，仅在阀瓣后方及阀瓣的上方存在漩涡结构，速度场分布得到明显改善。

图4 速度场分布数值结果

原型阀与简化型阀的流量压差曲线见图5。由图5可见，原型阀中管路中的流量随着阀门前后的压差的增加缓慢，由于原型阀门内控制系统、阻力板、测量盘等引起的压力损失，尤其是阻力板的存在很大程度上改变了超压控制阀内流场及压力分布。在阀件前后压差Δp=500 Pa时，流量在630 m3/h；若管路流量达到1 000 m3/h时，其阀件前后压差Δp需要达到1 100 Pa，其流动阻力很大。

图5 原型阀与简化阀性能对比

简化型超压控制阀中管路中的流量随着阀件前后压差的增加而急剧增加，若达到与原型阀管路中同样的流量，阀件前后的压差Δp仅为160 Pa左右。如果仅去除阻力板保留控制系统等其他部件，其流量性能比简化型略差，可见其影响流量主要的因素为设置了阻力板。设置了阻力板的阀件，增加了超压控制阀前后的压差损失，减少了管路流量，从而降低了阀门的流量特性。但在另一方面，使得流量曲线更为平缓，增强了调节能力。

为了对比数值模拟结果的准确性，对阀件实物进行试验。试验仅对无阻力板的实物阀进行了测试、无阻力板阀件实验数据与数值计算结果进行对比，见图6。试验测得当流量达到1 000 m3/h时，阀门的阀前后压差约为220 Pa。对于去阻力板型阀门和简化型阀门，计算所得的流量与阀门前后压差之间的关系曲线均较为陡峭，当流量达到1 000 m3/h时，其压差分别处于260 Pa和150 Pa。结果表明，实验值介于无阻力板数值结果和简化型数值结果之间，三者结果较为接近，仿真计算的结果基本准确可信。

图6 数值模拟结果与实验值对比

3 超压控制阀阀瓣形状的优化

数值模拟结果表明，除了阻力板之外，阀内主要的阻力损失集中在阀瓣处。该处旋涡区依然较大并造成整体压力分布不均匀，对阀门整体性能产生不利的影响。阻力板是为减少外界气流扰动而设置的，可以随着使用需求而取消。因此改善阀室内的流动状态主要考虑改善对阀件中的主要部件-阀瓣进行形状上的优化，从而减少阀室内的漩涡来降低压力损失，从而提高超压控制阀的整体性能。

根据简化型阀门的流场分布特征，分别设计了尾凸和首尾凸两种阀瓣形状进行研究，建立数值模型并划分网格，见图7。网格数分别为13 110和12 914。尾凸型阀瓣模型是通过优化尾部型线改善阀门阀瓣后方的流场状态，而首尾凸型是通过修改首部型线来改善其流场状态。

图7 超压控制阀阀瓣的优化数值模型

将优化的阀瓣模型的数值模拟结果以及原型阀的数值结果与实验结果做对比，图8中给出了超压控制阀特性的流量压差曲线。结果表明，优化型阀门阀瓣的性能要优于无阻力板原型阀，在流量为1 000 m3/h的情况下，优化型阀门阀瓣的压差相对于无阻力板的阀门的压差降低了7.5%，性能与简化型模型相当。说明通过对阀瓣形状的优化可以抵消掉部分由控制系统等其他机构带来的阻力损失。

图8 优化型阀瓣数值模拟结果

图9和图10分别给出了不同压差下的阀门流量系数和两种阀瓣型线优化后的压差改变幅度。结果表明，经过阀瓣的型线优化之后，超压控制阀的流量-压差性能得到提高。从流量系数来看，优化后的两个模型的流量系数都超过0.55，最大达到0.64，特别是尾凸型阀瓣在阀瓣前后压差较小时表现出更良好的特性，而存在临界的前后压差值；当大于某个临界压差时，首尾凸型阀瓣的性能要高于尾凸型阀瓣。经过优化的两个阀瓣的性能均比简化型阀门要高。

图9 超压控制阀流量系数变化特性

图10 两种阀瓣型线优化后的阀门前后压差改变百分比

对比两个优化型阀门的阀瓣，在管路流量较小时，尾凸型阀瓣压差改变的比例要远大于首位凸型阀瓣；随着管路流量的增加，尾凸型阀瓣的前后压差的变化逐渐呈线性减小的趋势，而首位凸型阀瓣的前后压差的改变比例基本维持在10%上下浮动。无论尾凸型阀瓣还是首尾凸型阀瓣，均对提高阀门的性能有较好的效果，但相对于尾凸型阀瓣，首尾凸型的阀瓣的厚度增加，在实际加工和应用过程中受到一定的限制。

4 结论

1)通过对超压控制阀阀室内流场特征分析，结果表明，超压控制阀内的压力波动和损失主要由阀瓣和阀室形状引起，尤其是当原型阀中有阻力板存在时，增加了超压控制阀前后的压差损失，减少了管路流量，从而降低了阀门的流量特性。另一方面，使得流量曲线更为平缓，增强了调节能力。在实际使用中可根据实际情况来选择使用。

2)除了阻力板之外，阀内主要的阻力损失集中在阀瓣处。该处旋涡区依然较大并造成整体压力分布不均匀，对阀门整体性能产生了不利影响。在原型阀的数值结果的基础上，提出了两种阀瓣型线优化方案。仿真计算结果表明，提出的优化型阀门阀瓣的压差相对于原型阀的压差降低了7.5%，其阀门的性能得到了一定提升。

下一步对集防系统的超压控制阀研究，将主要集中两个方向：①提高控制系统的响应能力和精度，通过主动控制来消除压力波动的影响从而可以取消阻力板，进一步提升阀门的整体性能；②采用试验和仿真结合的手段，对阀体内部尤其是阀瓣进行结构优化，进一步优化阀体的流量特性。