安全阀升力曲线的数值模拟与试验研究

　　通过建立安全阀内部流道三维模型，利用ANSYS CFX 进行有限元仿真分析，模拟出安全阀在整个动作过程中阀瓣所受升力的变化，确定其升力特性曲线。设计一种利用位移传感器和加速度传感器测量安全阀升力的试验方法，将试验结果与仿真分析结果相互验证，最终确定仿真分析结果的偏差值，从而指导安全阀的设计与优化。

1、概述

　　安全阀作为一种自动阀门，是各类锅炉、压力容器和压力管道等设备不可缺少的安全附件，起到超压保护作用，其广泛应用在石油、化工和电站等行业。弹簧直接载荷式安全阀是目前应用最广泛的一种安全阀，该结构安全阀利用弹簧力实现阀门的密封与回座。安全阀升力与弹簧力之间的关系是影响弹簧直接载荷式安全阀启闭和密封等性能的重要因素。因此，安全阀的升力特性成为其基础技术研究的重点。

　　本文利用有限元仿真分析软件ANSYS CFX 对安全阀内部流体模型进行仿真分析，模拟安全阀开启过程中阀瓣所受升力变化，并进行试验验证，通过对比，最终确定安全阀升力曲线的数值模拟分析方法。

2、仿真分析

　　2.1、物理模型

　　将安全阀开启分为10 个过程，在各个过程的开度下分别建立安全阀内部流道的三维模型，由于安全阀成对称分布，取半抛模型进行分析( 图1) 。

　　2.2、控制方程

　　阀门内部的高温高压过热蒸汽流动为三维湍流可压缩流动，其通用控制方程为

　　2.3、求解方法和边界条件

　　本文采用有限元体积法利用耦合求解器对控制方程进行求解，离散格式为二阶。网格采用四面体网格，在流道的细小结构处以及阀瓣位置进行网格细化处理，建立4 层壁面边界，安全阀流场网格如图2 所示。

表1 通用变量、扩散系数与源项的表达式

图2 流程模型网格

　　安全阀内的介质为过热蒸汽，选取Steam5 介质模型。由于需考虑流体动能带来的热量变化，因此选择适合高速流体及可压缩流体的“Total Energy”热传递模型。然后根据工况，定义安全阀入口的压力和温度值，以及出口的压力值，最终求解出安全阀内部流体特性。

　　2.4、求解结果

　　以安全阀起跳到行程9 mm 为例，提取安全阀内介质流动情况( 图3) 和对称面的压力变化情况( 图4) 。

图3 对称面流速云图

图4 对称面总压云图

　　根据分析数据与试验数据的对比情况得出其原因。

　　(1) 仿真分析对安全阀内介质与阀门之间的摩擦系数不能很好的确定，使仿真分析值偏大。

　　(2) 安全阀阀瓣后部有背压，仿真分析时不能很精确的模拟出来，使仿真分析值偏大。

　　(3) 阀瓣动作时，阀瓣套筒与导向套之间有摩擦，使试验测得阀瓣升力偏小。

3、结语

　　根据模型仿真分析结果可以得出建立安全阀流道三维模型，利用ANSYS CFX 数值模拟的方式分析出的阀瓣升力曲线，通过对比试验数据，证明仿真分析所得数据准确度较高。在安全阀的设计中可以使用有限元数值模拟的方法计算安全阀起跳过程中升力的变化情况，可以根据其结果对安全阀进行优化。为了更为准确的计算出阀瓣升力值，可以将分析值乘以90%作为最终的模拟值。