基于CFD方法的低温氦气调节阀工作特性研究.pdf

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 Chemical 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 line 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 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 research 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-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 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 Zhijiang,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 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Fig.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。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.4Total 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,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 distributionalong 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;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=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 0.495时恰好达到临界状态,与预测值的误差仅为 4.2%。这说明采用喷嘴节流膨胀理论可以描述气流在调节阀缝隙中的膨胀情况,并计算达到临界流动的条件。表 1各工况下实际压力比及临界压力比Table 1Real pressure ratios and critical pressureratios at different conditions工况绝热指数 k实际压力比临界压力比最大马赫数11.7240.7500.4790.55421.7400.6000.4770.78531.7560.5000.4750.97341.7740.4290.4721.34951.7920.3750.4701.30861.8110.3330.4681.41971.8310.3000.4651.660结合压力比与流量对应关系(图 12)可以发现,在压力比低于 0.5 时,进一步降低压力比,流量增长速率明显放缓。在压力比低于 0.35 时,降低压力比,51低温工程2023 年提升阀门进出口压差,阀门流量已经基本不变,表明已经进入阻塞流状态。从进入临界区开始,阀门压力比降低了 65%,但流量只增加了 3.3%,可见阻塞流严重影响了阀门的流量调节能力。图 12阀门流量与压力比的关系图Fig.12Mass flow rate versus pressure ratio气流跨音速临界流动不仅会引发阻塞流影响阀门的流量调节性能,而且阀内的超声速气流会导致强烈的噪声和振动,增大阀门部件的磨损,并对运行环境造成噪声污染。相关研究显示16-17,气流在缝隙出口产生的音速气流将产生高强度偶极子声源,阀门声功率正比于缩流断面马赫数的平方。缝隙出口下游压力及速度梯度大,超声速气流容易产生激波,引起管壁的分级多频段振动,并对阀芯及阀座密封结构造成极大损害。在设计和实际运行中,可根据气体绝热膨胀理论计算临界压力比,尽量避免氦气阀门在临界流的状态下工作。4结语低温调节阀是氦制冷系统流量及压力控制的核心设备。基于 CFD 方法对自行研制的 20 K 低温氦气调节阀开展了物理建模和数值计算,得到了阀内低温介质的多物理量场演化规律。掌握了氦气在阀内压力、速度、温度、漩涡、流线多物理量场的分布情况,给出了不同开度下各物理量对应变化关系。着重对不同压差下,阀芯与阀座间缝隙的温度、速度、压力进行了研究,给出了氦气亚音速及超音速节流过程各物理量变化趋势及极值点移动规律,并分析了阀门阻塞流动及气体超音速流动的对应关系。研究结果表明,氦气为亚音速流动时,各参数极值点在缝隙出口截面上;氦气为超音速流动时,由于气体喷出缝隙后进一步膨胀,各参数极值点发生在缝隙下游一定距离内,并且阀门流量的增长率随压差增大而逐渐减小,直至不再增加,进入阻塞流状态。根据理想气体喷嘴节流膨胀的临界压力比计算公式对应工况下的氦气临界压力比,与实际氦气达到超音速流动状态时的临界压力比误差仅为 4.2%,表明喷嘴绝热膨胀的理论适用于分析气体在阀门内的绝热节流变化,能够较为准确地预测气流达到临界和阻塞流状态的条件,为预防低温氦气调节阀发生阻塞流动提供了一个判据。参考文献1 叶斌,马斌,侯予.大型氦低温制冷系统研究进展J.低温工程,2010(4):18-23.Ye Bin,Ma Bin,Hou Yu.Development of large helium cryogenicsystemJ.Cryogenics,2010(4):18-23.2 Qian Jinyuan,Wei Lin,Jin Zhijiang,et al.CFD analysis on the dy-namic flow characteristics of the pilot-control globe valveJ.EnergyConversion and Management,2014,87:220-226.3 张宁,李强,胡康,等.低温调节阀阀座软密封特性研究():低温密封性能及综合对比分析J.北京理工大学学报,2015,35(5):445-449.Zhang Ning,Li Qiang,Hu Kang.Valve seat soft sealing characteris-tics of cryogenic control valve(II):Sealing characteristics at liquid ni-trogen temperature and comprehensive 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期氦低温离心式冷压机前掠叶型的流动特征分析定工作范围,削弱通道内部不稳定流动状态。同时,在氦低温离心式增压叶轮设计领域,仍是一种气动优化、改善工作特性的有效手段,可为氦低温叶轮机械设计提供新的设计思路。参考文献1 张玙,王国平,胡忠军,等.大科学工程建设低温工程技术发展现状及前沿科学技术问题J.低温工程,2016(3):17-22.Zhang Yu,Wang Guopin,Hu Zhongjun,et al.Review of cryogenicdevelopment and advanced research in large scientific projects J.Cryogenics,2016(3):17-22.2 Lebrun P,Tavian L.Cooling with superfluid heliumJ.Eprint Arx-iv,2015:175-184.3 Millet F,Roussel P,Tavian L,et al.A Possible 1.8 K refrigerationcycle for the large hadron colliderJ.Advances in Cryogenic Engi-neering,1998,43:387-393.4 Bozhko Y,Escherich K,Jensch K,et al.Commissioning and firstcooldown of XFEL linac C.IOP Conference Series:Materials Sci-ence and Engineering.USA:IOP Publishing 2017,278:12100.5 Yang S,Dixon K,Laverdure N,et al.Mechanical design and analy-sis of LCLS II 2 K cold box C.IOP Conference Series:MaterialsScience and Engineering.USA:IOP Publishing,2017,278(1):012091.6 Sasaki T,Breugelmans F.Comparison of sweep and dihedral effects oncompressor cascade 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