蔣臧杰,王 磊,信志強(qiáng)

(河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院，南京 211100)

壓力容器是泛指在一定的設(shè)計(jì)壓力下運(yùn)行的承壓設(shè)備，在工作時(shí)能夠承受的最大內(nèi)部壓力稱為最高容許壓力。壓力容器在最高容許壓力下能夠安全運(yùn)行，當(dāng)內(nèi)部壓力超過(guò)其最高容許壓力，壓力容器的外壁有可能因?yàn)檫^(guò)高的壓力產(chǎn)生過(guò)度塑性變形導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，并造成嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故。安全泄壓裝置就是為了保證壓力容器可以在最高容許壓力下工作的一種安全保護(hù)裝置。安全泄壓裝置要能夠保證壓力容器在正常運(yùn)行狀態(tài)下不泄漏，超壓時(shí)泄放，防止壓力容器出現(xiàn)超壓工作狀態(tài)，從而保證壓力容器在工作時(shí)的安全。由于運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜，安全泄壓裝置在承壓設(shè)備運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)各種各樣的故障，如閥瓣開(kāi)啟過(guò)程中的顫振、閥門在臨界泄放壓力下出現(xiàn)泄漏、泄放量不足等[1-2]。安全泄壓裝置常用的材料為各類型結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)閥門開(kāi)啟時(shí)，閥瓣在流體作用下會(huì)以高速?zèng)_擊閥蓋，即便是高強(qiáng)度的鋼材，在閥瓣的多次沖擊下依然會(huì)出現(xiàn)塑性變形乃至疲勞破壞。尤其是對(duì)于口徑較大的閥門，閥瓣重量大。當(dāng)入口壓力較高時(shí)，閥瓣開(kāi)啟后速度逐漸增加，沖量會(huì)非常巨大。閥瓣受限制減速后，將會(huì)在極短的接觸碰撞時(shí)間內(nèi)對(duì)閥蓋施加極大沖擊力，可能直接造成閥蓋的斷裂破壞，閥桿與閥瓣沖出閥腔，進(jìn)而造成嚴(yán)重后果。所以安全泄壓裝置在壓力容器的安全工作中有著舉足輕重的地位，具有非常實(shí)際的研究意義。

多年來(lái)，中外學(xué)者通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值模擬方法對(duì)各型泄壓裝置進(jìn)行了大量研究。郭崇志[3]通過(guò)貼應(yīng)變片的方式，對(duì)安全閥的閥芯進(jìn)行檢測(cè)，將安全閥的參數(shù)檢測(cè)集中在閥體本身的結(jié)構(gòu)特性上，首次實(shí)現(xiàn)了安全閥的在線檢測(cè)技術(shù)；丘垂育[4]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了閥門在瞬態(tài)開(kāi)啟時(shí)閥瓣剛度對(duì)其性能參數(shù)的影響，指出柔性閥瓣能夠提升閥門的性能參數(shù)，如提高泄放效率、提升閥瓣開(kāi)啟速度等相對(duì)于剛性閥瓣更具優(yōu)勢(shì)；Dossena等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了不同介質(zhì)流體對(duì)閥門的性能參數(shù)、泄放系數(shù)等的影響，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)的比熱容是最主要的影響因素；Stevenson等[6]運(yùn)用Fluent軟件對(duì)高壓閥內(nèi)流體的流動(dòng)進(jìn)行了可視化研究，通過(guò)對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出了數(shù)值模擬方法能夠快速得到流場(chǎng)參數(shù)且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的結(jié)論；梁寒雨[7]建立了安全閥的二維瞬態(tài)研究模型，通過(guò)瞬態(tài)模擬研究安全閥泄放過(guò)程中流場(chǎng)參數(shù)的變化，并取得一定的成果，得到了閥門入口段和密封段流場(chǎng)參數(shù)的變化特性。戴芳芳[8]對(duì)閥瓣和反沖盤所受的沖擊力進(jìn)行了研究，使用區(qū)域分解法實(shí)現(xiàn)了定量計(jì)算閥瓣及反沖盤的沖擊力，并通過(guò)改變安全閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)如出入口直徑、閥瓣尺寸等研究沖擊力的影響因素。近年來(lái)，對(duì)于安全泄壓裝置的研究主要集中于超壓泄放原理及泄壓裝置的性能參數(shù)的理論研究和工程應(yīng)用這兩方面。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬方法成為理論研究的重要手段。通過(guò)泄壓裝置內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬，研究?jī)?nèi)流場(chǎng)在安全泄壓裝置動(dòng)態(tài)開(kāi)啟過(guò)程中的流動(dòng)特性，如泄放量、開(kāi)啟速度、泄放系數(shù)等。因此無(wú)論是研發(fā)新型泄壓裝置抑或是對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化或者在線檢測(cè)都離不開(kāi)對(duì)泄壓裝置內(nèi)部流場(chǎng)的理論或仿真分析。研究的某一型號(hào)的爆破針型泄壓閥屬于一種非重閉式泄壓裝置，該類型安全泄壓裝置在完成泄壓動(dòng)作后不會(huì)重新閉合。相較于一般彈簧式安全閥[9]和爆破片，這種爆破針型泄壓閥具有顯著的優(yōu)勢(shì)。隨著中國(guó)石化工業(yè)和海洋油氣的不斷發(fā)展，爆破針型泄壓閥在中國(guó)的應(yīng)用也越來(lái)越普遍[10]。目前，美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)(American Society of Mechanical Engineers,ASME)鍋爐及壓力容器規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[11]已將爆破針型泄壓閥列為可以采用的非重閉式泄壓裝置，而與之相對(duì)應(yīng)的相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)均未涉及爆破針型泄壓閥的設(shè)計(jì)與使用要求，如《壓力容器》(GB 150—2011)[12]和《安全閥一般要求》(GB/T 12241—2005)[13]。該類型爆破針型泄壓裝置的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還存在一定的空白，且目前未針對(duì)該種新型安全泄壓裝置性能參數(shù)和動(dòng)態(tài)開(kāi)啟分析的數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究。因此，通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)數(shù)值仿真對(duì)爆破針型泄壓裝置的開(kāi)啟動(dòng)態(tài)特性和性能參數(shù)以及閥蓋在多次沖擊循環(huán)下的疲勞分析進(jìn)行的研究是十分必要的，以期通過(guò)的研究成果能夠?yàn)樵擃愋桶踩箟貉b置的選型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定指導(dǎo)。

1 數(shù)理模型與計(jì)算方法

有限體積法是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的數(shù)值方法，相較于有限元和有限差分法，通過(guò)有限體積法得出的離散方程，要求因變量對(duì)任意一個(gè)控制體積都滿足積分守恒，因而天然的滿足整個(gè)計(jì)算區(qū)域的質(zhì)量守恒定律。研究的爆破針型泄壓閥具有閥門開(kāi)度大，閥瓣行程長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此對(duì)其泄壓過(guò)程的瞬態(tài)數(shù)值模擬需要能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)格的大尺度變形。閥瓣在泄放的初始階段在流體介質(zhì)作用下會(huì)產(chǎn)生向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，由于閥瓣的位移受爆破針的限制，此時(shí)爆破針會(huì)在閥瓣作用下產(chǎn)生微小的形變，閥瓣因此受到爆破針微小形變下產(chǎn)生的反力。通過(guò)CFD軟件求解閥瓣在流體介質(zhì)中所受流體力并結(jié)合通過(guò)用戶定義函數(shù)(user-defined function，UDF)編寫的爆破針的變形與反力的本構(gòu)函數(shù)實(shí)現(xiàn)了閥瓣在流體介質(zhì)和爆破針作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)值模擬。爆破針型泄壓閥典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1為閥體；2為活塞式閥瓣；3為閥座；4為閥桿；5為閥蓋；6為爆破針；7為針籠圖1 爆破針型閥的典型結(jié)構(gòu)[14]Fig.1 Typical structure of buckling pin valves[14]

爆破針型泄壓閥的主要觸發(fā)部件是爆破針，它是實(shí)現(xiàn)爆破針型泄壓閥密封或泄壓的關(guān)鍵部件。爆破針在閥門超壓泄放時(shí)僅承受軸向壓縮荷載，根據(jù)壓桿失穩(wěn)的歐拉定律[15]，當(dāng)承受的軸向載荷F小于爆破針的臨界載荷Fcr時(shí)，爆破針可以維持直線平衡狀態(tài)。當(dāng)軸向載荷F達(dá)到爆破針的臨界載荷Fcr時(shí)，爆破針將會(huì)轉(zhuǎn)為失穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)極小的軸向荷載增大都會(huì)導(dǎo)致爆破針的屈曲失穩(wěn)。當(dāng)爆破針發(fā)生失穩(wěn)后，它就喪失了承載能力，閥瓣所受的反力會(huì)隨著爆破針屈曲失效后急劇減小，如圖2所示。由圖2可知，極小的軸向荷載增加也會(huì)導(dǎo)致爆破針產(chǎn)生極大的彎曲變形。因此很適合作為觸發(fā)泄壓裝置的結(jié)構(gòu)。

Fc為爆破針因變形產(chǎn)生的反力；X為爆破針的變形量圖2 爆破針的支撐力與變形量的關(guān)系Fig.2 The relationship between the support force and the deformation of buckling pin

1.1 物理模型

爆破針型泄壓閥屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，故選取流體計(jì)算區(qū)域取一半的流場(chǎng)空間建立模型，流體介質(zhì)為水。模型外形尺寸與實(shí)際尺寸一致。所用爆破針的直徑為3.5 mm，長(zhǎng)度為150 mm。將閥蓋從閥門結(jié)構(gòu)中獨(dú)立出來(lái)，建立了閥蓋的疲勞損傷分析模型，以Q235碳素鋼作為閥門的材料，它的屈服強(qiáng)度為235 MPa。閥體和閥蓋的物理模型分別如圖3、圖4所示。

圖3 爆破針型泄壓閥簡(jiǎn)圖Fig.3 Photograph of buckling pin valve

圖4 閥蓋物理模型Fig.4 Physical model of valve cover

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 湍流模型

由于閥腔內(nèi)部處于湍流狀態(tài)且需要對(duì)近壁區(qū)域有較高計(jì)算精度，采用SSTk-ω(shear stress transferk-ω)模型，湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ω方程如式(1)、式(2)所示[16]。

湍流動(dòng)能k：

(1)

湍流耗散率ω：

(2)

式中：ρ為流體密度；t為時(shí)間；xi、xj為位移的張量表示；ui為速度的張量表示；Gk為湍流動(dòng)能；Gω為渦量方程；Γk、Γω分別表示k與ω的有效擴(kuò)散項(xiàng)；Yk、Yω分別表示k與ω的發(fā)散項(xiàng)；Dω表示正交發(fā)散項(xiàng)；Sk、Sω為用戶定義的源項(xiàng)。

1.2.2 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)

采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)于任意邊界移動(dòng)的控制體積V對(duì)一般標(biāo)量φ有守恒型方程[16]：

(3)

式(3)中：V為大小形狀隨時(shí)間變化的控制體積；?V(t)是控制體積的運(yùn)動(dòng)邊界；u為速度矢量；ug為動(dòng)網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)速度；ρ為流體密度；A為控制體的表面積向量；Γ為耗散系數(shù)；Sφ為φ的源項(xiàng)。

對(duì)于閥瓣運(yùn)動(dòng)區(qū)域的流體計(jì)算域，采用局部網(wǎng)格重構(gòu)的方法實(shí)現(xiàn)3D網(wǎng)格的重新劃分與合并。通過(guò)用戶指定網(wǎng)格歪斜率和尺寸閾值控制網(wǎng)格的局部重構(gòu)。

1.2.3 閥瓣的剛體運(yùn)動(dòng)UDF

將閥瓣視作運(yùn)動(dòng)剛體，通過(guò)用戶定義函數(shù)(user-defined function,UDF)模擬閥瓣在流體作用和爆破針?lè)戳ψ饔孟碌倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于爆破針閥的閥瓣，其受流體力和爆破針?lè)戳Φ墓餐饔枚\(yùn)動(dòng)，滿足牛頓第二定律：

(4)

vt=vt-Δt+(F/m)Δt

(5)

式中：F為閥瓣所受合力；m為閥瓣質(zhì)量；v為閥瓣運(yùn)動(dòng)速度；t為時(shí)間。

對(duì)于閥瓣運(yùn)動(dòng)區(qū)域的網(wǎng)格，采用擴(kuò)散光順與局部網(wǎng)格重構(gòu)相結(jié)合的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。根據(jù)閥瓣的運(yùn)動(dòng)方程編寫UDF程序，模擬爆破針型泄壓閥動(dòng)態(tài)開(kāi)啟的過(guò)程。通過(guò)UDF分別求解流體力與爆破針對(duì)閥瓣的反力，并以此為基礎(chǔ)求得閥瓣所受合外力，依據(jù)牛頓第二定律計(jì)算閥瓣的加速度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閥瓣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬。爆破針在閥門泄放過(guò)程中的變形量與反力的關(guān)系通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到，將數(shù)據(jù)擬合為雙折線函數(shù)加載到剛體運(yùn)動(dòng)的UDF中，即為爆破針型泄壓閥的閥瓣。圖5為擬合的雙折線函數(shù)圖像。通過(guò)編寫的DEFINE_CG_MOTION宏實(shí)現(xiàn)閥瓣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬。

L為爆破針的變形量圖5 直徑3.5 mm爆破針形變與反力函數(shù)圖Fig.5 Deformation and reaction function diagram of buckling pin with diameter of 3.5 mm

1.2.4 塑性理論

塑性是一種在某個(gè)給定載荷情況下材料出現(xiàn)永久變形的情況。大多數(shù)工程材料在所受的應(yīng)力低于其比例極限時(shí)，它的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈線性變化關(guān)系，當(dāng)材料所受的應(yīng)力低于屈服點(diǎn)時(shí)，表現(xiàn)為彈性行為，即當(dāng)材料所受應(yīng)力消失時(shí)，材料產(chǎn)生的應(yīng)變也會(huì)消失。而當(dāng)材料所受應(yīng)力超過(guò)比例極限時(shí)，材料產(chǎn)生的塑性應(yīng)變?cè)趹?yīng)力消失后依然存在。

屈服準(zhǔn)則是一個(gè)標(biāo)量的，它可以用來(lái)表示與單軸測(cè)試的屈服應(yīng)力相比較的應(yīng)力狀態(tài)。依據(jù)屈服準(zhǔn)則，程序就能通過(guò)確定材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)來(lái)判斷其是否出現(xiàn)塑性應(yīng)變。圖6為Von Mises屈服準(zhǔn)則，是一個(gè)通用的屈服準(zhǔn)則。

圖6 主應(yīng)力空間中的Mises屈服準(zhǔn)則Fig.6 Mises yield criterion in principal stress space

在三維主應(yīng)力空間中，屈服面是一個(gè)以σ1=σ2=σ3為軸的圓柱面，而在二維主應(yīng)力平面中，屈服面是一個(gè)橢圓，當(dāng)材料的應(yīng)力狀態(tài)處于屈服面內(nèi)時(shí)，其表現(xiàn)為彈性行為，而當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)處于屈服面外時(shí)，則表示材料屈服，會(huì)表現(xiàn)塑性行為，出現(xiàn)不可逆的變形。流動(dòng)準(zhǔn)則描述了當(dāng)材料表現(xiàn)塑性行為時(shí)，塑性應(yīng)變的方向。強(qiáng)化準(zhǔn)則描述了初始屈服準(zhǔn)則隨著塑性應(yīng)變的增加是如何發(fā)展的。主要使用等向強(qiáng)化和隨動(dòng)強(qiáng)化這兩種強(qiáng)化準(zhǔn)則，如圖7所示。

圖7 兩種強(qiáng)化準(zhǔn)則的屈服面變化Fig.7 Yield surface changes of two reinforcement criteria

等向強(qiáng)化的屈服面對(duì)于Mises屈服準(zhǔn)則來(lái)說(shuō)，會(huì)在所有方向上均勻擴(kuò)張，材料在受壓方向的屈服應(yīng)力等于受拉過(guò)程中的最大應(yīng)力。而隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則是假定屈服面的大小保持不變且僅在屈服的方向上移動(dòng)，當(dāng)一個(gè)方向的屈服應(yīng)力升高時(shí)，其反方向的屈服應(yīng)力則應(yīng)該降低。采用雙線性等向強(qiáng)化的彈塑性本構(gòu)模型對(duì)閥蓋在沖擊作用下的應(yīng)力應(yīng)變和疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算分析。

1.3 網(wǎng)格劃分與求解設(shè)置

為了提高計(jì)算效率并保障計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將流體計(jì)算區(qū)域分為三個(gè)獨(dú)立的部分分別劃分網(wǎng)格，分別為入流流道、動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域和出流流道。動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其余兩個(gè)計(jì)算域采用六面體網(wǎng)格劃分。將網(wǎng)格更新限定在動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)以提高計(jì)算效率。三個(gè)流體計(jì)算域之間通過(guò)滑移界面即interface連接。由于在軟件的流體計(jì)算中無(wú)法計(jì)算兩個(gè)完全重疊的邊界，并且為了能夠保證閥瓣在初始狀態(tài)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)泄漏的情況，在閥瓣閉合時(shí)設(shè)定了一個(gè)較小的初始開(kāi)高，為0.5 mm。閥蓋模型按照實(shí)際尺寸建立，模型以六面體結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格進(jìn)行劃分。網(wǎng)格劃分如圖8所示。為了得到閥瓣對(duì)閥蓋局部的沖擊力，以流體計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，通過(guò)動(dòng)量定理[式(6)]可計(jì)算得到閥蓋在受到閥瓣碰撞瞬間所受的沖擊力。

Ft=mv

(6)

式(6)中：F為閥蓋所受的沖擊力；t為閥瓣與閥蓋的沖擊時(shí)間；m為閥瓣質(zhì)量；v為發(fā)生碰撞時(shí)閥瓣的速度。

圖8 流體計(jì)算區(qū)域和閥蓋的網(wǎng)格劃分Fig.8 Grid division of fluid calculation area and valve cover

流體計(jì)算區(qū)域的入口處和出口處為壓力邊界條件，通過(guò)改變?nèi)肟谶吔绲娜肟趬毫τ?jì)算不同工況下的閥門性能參數(shù)，并將出口壓力邊界的初始靜壓設(shè)置為0。流場(chǎng)外側(cè)壁面為固壁面。由于選取了 1/2 的流體計(jì)算域進(jìn)行計(jì)算，因此在對(duì)稱面上使用對(duì)稱邊界條件。在軟件的動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置中，將閥瓣視作運(yùn)動(dòng)剛體并通過(guò)加載編寫的剛體運(yùn)動(dòng)UDF來(lái)實(shí)現(xiàn)閥瓣的運(yùn)動(dòng)。將對(duì)稱面和閥瓣上方的運(yùn)動(dòng)壁面設(shè)置為變形邊界，即隨著閥瓣的運(yùn)動(dòng)，會(huì)通過(guò)軟件的網(wǎng)格重構(gòu)功能不斷更新該邊界面上的網(wǎng)格。當(dāng)完成了模型的網(wǎng)格劃分，湍流模型選擇以及邊界條件設(shè)置后即可進(jìn)行求解設(shè)置并進(jìn)行求解。由于閥腔內(nèi)部屬于高湍流的狀態(tài)，且動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算精度要求較高，使用PISO算法進(jìn)行壓力-速度耦合以避免SIMPLE算法中壓力場(chǎng)偏離過(guò)大的問(wèn)題[17]。閥蓋的疲勞分析模型中邊界條件的設(shè)置較簡(jiǎn)單，將閥蓋與閥腔連接處設(shè)置為固壁面，通過(guò)改變施加在閥蓋上的沖擊力計(jì)算閥蓋在不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布與疲勞壽命。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 流場(chǎng)參數(shù)分析

2.1.1 漩渦分布以及速度場(chǎng)分析

以入口壓力為1.6 MPa的超壓泄放情況為例，為了探究爆破針閥在超壓泄放過(guò)程中閥腔結(jié)構(gòu)及閥瓣運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響，平均選取了閥瓣開(kāi)啟過(guò)程中的四個(gè)不同開(kāi)啟高度的時(shí)刻對(duì)流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行分析，這四個(gè)不同開(kāi)度分別對(duì)應(yīng)0.6、1.5、2.5、5 ms這四個(gè)不同的時(shí)刻。

在閥瓣開(kāi)啟過(guò)程中，漩渦的烈度及速度場(chǎng)分布分別如圖9、圖10所示。

圖9 進(jìn)口壓力1.6 MPa下不同時(shí)刻的漩渦強(qiáng)度Fig.9 Vortex intensity at different time under 1.6 MPa inlet pressure

圖10 進(jìn)口壓力1.6 MPa下不同時(shí)刻速度場(chǎng)云圖Fig.10 Velocity field at different time under 1.6 MPa inlet pressure

當(dāng)閥瓣開(kāi)啟瞬間，隨著介質(zhì)快速流入閥腔，喉部?jī)蓚?cè)開(kāi)始出現(xiàn)漩渦并向閥門內(nèi)部泄放；隨著閥門開(kāi)啟，閥瓣向上移動(dòng)，閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)凸角也會(huì)使流體產(chǎn)生漩渦，并隨著閥瓣開(kāi)啟高度增加，流速加快，漩渦的強(qiáng)度也會(huì)逐漸增大。并且集中在出口流道上下壁面、入口流道喉部上端和閥瓣凸角處。由于閥腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的快速變化對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)極為明顯，因此在整個(gè)開(kāi)啟過(guò)程中，流場(chǎng)是逐漸向高湍流發(fā)展的，且在閥瓣全啟的瞬間處于極度強(qiáng)烈的狀態(tài)，流場(chǎng)參數(shù)變化幅度很大；當(dāng)閥瓣停止運(yùn)動(dòng)后，閥門結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)參數(shù)的影響減弱，流場(chǎng)參數(shù)逐漸變得平穩(wěn)，達(dá)到穩(wěn)定泄放。漩渦的產(chǎn)生主要原因是閥腔本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及閥瓣的運(yùn)動(dòng)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的突變導(dǎo)致了流場(chǎng)參數(shù)的強(qiáng)烈變化，說(shuō)明閥門自身結(jié)構(gòu)會(huì)影響流場(chǎng)參數(shù)，在泄放初期階段，入口處介質(zhì)流速接近0 m/s，隨著閥瓣的開(kāi)高增大，介質(zhì)會(huì)以高速射流的狀態(tài)向閥門內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，由于介質(zhì)為水，且密封段在閥瓣開(kāi)啟前是無(wú)介質(zhì)充填的狀態(tài)，在閥門密封段出現(xiàn)了散射狀的速度分布圖像。隨著閥瓣向上運(yùn)動(dòng)，可以明顯看到閥瓣以及閥腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)凸角周圍介質(zhì)流速較低，介質(zhì)速度的突變都發(fā)生在結(jié)構(gòu)突變處，這是由于結(jié)構(gòu)凸角處會(huì)產(chǎn)生湍流漩渦，極大影響介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)使得閥腔內(nèi)部速度場(chǎng)變化很劇烈。在泄放過(guò)程中，隨著閥瓣開(kāi)高不斷增大，入流流速不斷增大，并在出口流道上下壁面產(chǎn)生高速回流，對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)。對(duì)比2.5 ms時(shí)刻與 5 ms 時(shí)刻速度場(chǎng)可以看到，入流流速在閥瓣開(kāi)啟瞬間增大后幾乎保持不變，當(dāng)閥瓣停止運(yùn)動(dòng)時(shí)入流速度有明顯的增大，說(shuō)明介質(zhì)流速主要受閥瓣運(yùn)動(dòng)特性的影響，可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式以降低流場(chǎng)的擾動(dòng)來(lái)提高流體介質(zhì)的泄放效率和提升閥門安全性。

2.1.2 閥門的泄放量及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)分析

當(dāng)然，何翔父親的心態(tài)可能不夠“端正”。據(jù)稱，何翔平時(shí)愛(ài)好表演，這不是什么問(wèn)題，有著各種愛(ài)好的孩子很多，家長(zhǎng)在能力范圍內(nèi)培養(yǎng)孩子的愛(ài)好、滿足孩子的興趣，也算正常。可是，有必要通過(guò)花錢買參演的方式來(lái)培養(yǎng)和滿足孩子的表演興趣嗎？從影樓里聽(tīng)來(lái)的消息，花錢買來(lái)的角色，即便“簽約那天，現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人說(shuō)只有五個(gè)名額的‘一號(hào)角色’”，稍有點(diǎn)兒常識(shí)的人也會(huì)知道，這種做法很不靠譜，家長(zhǎng)未免顯得太著急了。

為了探究閥門在接近臨界泄放壓力和超壓泄放狀態(tài)下的性能參數(shù)，分別對(duì)入口壓力為0.1、0.2、1.2、1.6、3 MPa這5種入口邊界條件下的閥門泄放進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果分析如下。

T為閥門開(kāi)啟過(guò)程中的時(shí)刻圖11 閥瓣運(yùn)動(dòng)情況Fig.11 Valve clack movement

圖12 進(jìn)口壓力1.6 MPa下入流邊界處壓力變化Fig.12 Pressure variation at inflow boundary under inlet pressure of 1.6 MPa

圖11、圖12分別為閥瓣在不同入口壓力下的位移及運(yùn)動(dòng)速度曲線和1.6 MPa入口邊界的壓力變化圖。閥瓣的動(dòng)態(tài)特性主要受流場(chǎng)影響，且運(yùn)動(dòng)速度與進(jìn)口壓力正相關(guān)；隨著入口壓力不斷增大，閥瓣運(yùn)動(dòng)速度增大，閥門全啟的時(shí)間縮短。在0.1 MPa時(shí)，閥瓣的運(yùn)動(dòng)速度在0 m/s上下震蕩，且位移值在達(dá)到1.36 mm后逐漸回到0，結(jié)合泄放量的變化情況可以看到閥門的泄放量出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明閥門可以視作未泄放，這也符合爆破針型泄壓閥的特性，即在未達(dá)到泄放壓力時(shí)可以保證密閉性。區(qū)別于普通彈簧式安全閥的閥瓣在臨界壓力下會(huì)出現(xiàn)起跳[18]從而影響密封性能的情況。在超壓泄放狀態(tài)下，閥瓣的運(yùn)動(dòng)速度在開(kāi)啟瞬間會(huì)突然增大，隨后以一個(gè)較平穩(wěn)的加速度逐漸增加，最后存在一個(gè)較短的減速階段并突然降到0。首先，由于爆破針在在形變超過(guò)0.8 mm后即會(huì)失效變形，而此時(shí)處于超壓泄放下，通過(guò)對(duì)比圖12中的入口壓力變化，可以看到，喉部壓力會(huì)逐漸積聚，當(dāng)爆破針失效后，喉部積聚的高壓會(huì)使得閥瓣的加速度非常大，在短時(shí)間內(nèi)速度達(dá)到一個(gè)峰值；而后隨著閥瓣開(kāi)高的增大，積聚的壓力逐漸釋放，動(dòng)壓的變化變得平穩(wěn)，閥瓣的加速度逐漸減小，增速也逐漸放緩；直到閥瓣接近全啟時(shí)，由于此時(shí)閥腔頂部流體介質(zhì)受到壓縮，導(dǎo)致靜壓的積聚，當(dāng)閥瓣運(yùn)動(dòng)時(shí)動(dòng)壓占主導(dǎo)，影響閥瓣的運(yùn)動(dòng)特性，隨著閥瓣接近閥蓋，積聚的靜壓使得閥瓣開(kāi)始減速，直到受到閥蓋的限制，突然降為0。圖13、圖14分別為不同入口壓力下入口和出口邊界的泄放量及閥瓣停止瞬間前后時(shí)刻的壓力場(chǎng)分布。

圖13 不同進(jìn)口壓力下出入口邊界質(zhì)量流量Fig.13 Mass flow at entry-exit boundary under different inlet pressure

圖14 閥瓣停止運(yùn)動(dòng)前后時(shí)刻壓力場(chǎng)分布Fig.14 Pressure field distribution before and after valve clack stop

由于流體在閥腔出口處的法向流速與出口截面處法向量相反，所以出口處監(jiān)測(cè)值為負(fù)值。0.1 MPa下，閥門入口處介質(zhì)出現(xiàn)了回流的情況，說(shuō)明此時(shí)閥瓣的開(kāi)度可以視作閥門未泄放，也說(shuō)明所采用的初始開(kāi)高是可取的。對(duì)比閥瓣的運(yùn)動(dòng)速度圖像可以看到，閥門的泄放量在閥瓣受到閥蓋限制停止時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)突變。泄放量變化曲線顯示，在閥瓣停止運(yùn)動(dòng)前，泄放量呈現(xiàn)勻速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，而隨著閥瓣由于閥蓋的限位停止運(yùn)動(dòng)后，泄放量的增速會(huì)放緩并逐漸區(qū)域穩(wěn)定。這說(shuō)明閥腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)閥門的泄放造成影響，且閥瓣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的突變會(huì)影響閥門的泄放穩(wěn)定性。閥門泄放量的突變發(fā)生在閥瓣停止運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻，圖14為閥瓣停止瞬間前后時(shí)刻的壓力場(chǎng)分布對(duì)比，當(dāng)閥瓣停止運(yùn)動(dòng)后，閥腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)不再變化，流場(chǎng)機(jī)理主要受靜壓分布的影響，在閥瓣停止運(yùn)動(dòng)后的時(shí)刻，入流流道處的總壓增大，而隨著閥瓣停止運(yùn)動(dòng)，原本閥瓣上方積聚的靜壓轉(zhuǎn)移至閥腔導(dǎo)致閥腔內(nèi)部壓力陡增，使得泄放量在閥瓣停止運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)突變。

2.2 閥蓋疲勞分析

閥瓣的質(zhì)量為0.783 kg，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)的瞬態(tài)數(shù)值模擬得到在1.2、1.6、3 MPa這三種超壓泄放狀態(tài)下閥瓣與閥蓋撞擊前的速度分別為8.18、9.69、13.39 m/s，假設(shè)閥瓣與閥蓋的沖擊時(shí)間為 0.5 ms，根據(jù)式(6)，可以得到在這三種超壓泄放狀態(tài)下，閥蓋所受沖擊力分別為12 810、15 175、 20 969 N。由于爆破針型泄壓閥在每次泄放完成后都需要設(shè)置新的爆破針，并重復(fù)使用的，因此單次受沖擊力情況下的應(yīng)力應(yīng)變分析不足以滿足真實(shí)的工程應(yīng)用需要。所以分別將閥蓋在三種超壓泄放的情況下所受沖擊力循環(huán)10 000次施加在閥蓋上進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞分析。分別對(duì)三種沖擊力各循環(huán)10 000次下的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)、閥蓋在三種沖擊力下循環(huán)下的壽命以及閥蓋的疲勞敏感性進(jìn)行分析。

圖15 閥蓋的塑性應(yīng)變?cè)茍DFig.15 Plastic strain of valve cover

圖16 閥蓋的應(yīng)力及彈性應(yīng)變?cè)茍DFig.16 Stress and elastic strain of valve cover

圖15、圖16分別為閥蓋在三種進(jìn)口壓力下受單次沖擊的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D。由圖15、圖16可知，在三種沖擊力的單次作用下，閥蓋沒(méi)有出現(xiàn)塑性應(yīng)變區(qū)，說(shuō)明閥蓋在這三種受力情況下都沒(méi)有出現(xiàn)塑性應(yīng)變，即在單次沖擊下閥門的結(jié)構(gòu)是安全可靠的，且閥蓋的應(yīng)力應(yīng)變分布是一致的，越接近閥蓋中心處，應(yīng)力應(yīng)變?cè)酱?，并且隨著與閥蓋中心距離的增大，應(yīng)力應(yīng)變都逐漸減小。而在閥蓋與閥體頂部結(jié)構(gòu)突變處，應(yīng)力應(yīng)變都出現(xiàn)了突然減小。因?yàn)樵陂y蓋與閥體頂部連接處的結(jié)構(gòu)在沖擊力作用下基本呈軸向受拉的受力方式，而其他部分的結(jié)構(gòu)受剪應(yīng)力較大，軸向受拉的部分結(jié)構(gòu)相對(duì)比較安全。說(shuō)明在閥瓣的沖擊下，閥蓋整體都承受了較大的應(yīng)力，而在閥蓋與閥體頂部的結(jié)構(gòu)突變處所受應(yīng)力較小，相對(duì)較安全。而閥蓋的中心處最容易出現(xiàn)塑性應(yīng)變和損傷破壞。圖17為閥蓋在三種不同沖擊力各循環(huán)10 000次下的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)及三種沖擊力循環(huán)下的壽命。

圖17 閥蓋安全系數(shù)及循環(huán)壽命Fig.17 Safety factor and cycle life of valve cover

由圖17可知，在三種沖擊力分別循環(huán)10 000次的情況下，閥蓋的最低安全系數(shù)分別為1.99、1.68、1.22，說(shuō)明在假設(shè)循環(huán)10 000次的情況下，閥門可以滿足工程上的安全系數(shù)要求，并且通過(guò)循環(huán)壽命的分析可以看到，在1.2 MPa的泄放下壓力，閥蓋在循環(huán)達(dá)到20×104次左右后達(dá)到疲勞損傷，在1.6 MPa下循環(huán)次數(shù)為12×104次左右，而在3 MPa下僅為2.6×104次左右，隨著泄放壓力的增大，閥蓋的循環(huán)壽命會(huì)急劇減少，并且損傷部位會(huì)從閥蓋的中心點(diǎn)位置逐漸擴(kuò)散到整個(gè)閥蓋上。通過(guò)分析閥蓋的安全系數(shù)及循環(huán)壽命可以得到，閥蓋在超壓泄放的情況下可以保證結(jié)構(gòu)的安全性，但隨著泄放壓力的增大，閥蓋的循環(huán)壽命不是呈線性的減少，而是會(huì)出現(xiàn)循環(huán)壽命的突然減少。

同樣在三種泄放壓力下，對(duì)閥蓋在沖擊力作用下的疲勞敏感性進(jìn)行分析，設(shè)置閥蓋所受的最小荷載變化幅度為20%，最大荷載變化幅度為150%。圖18為三種不同情況下閥蓋的疲勞敏感性變化。

圖18 三種泄放壓力下閥蓋的疲勞敏感性Fig.18 Fatigue sensitivity of valve cover under three relief pressures

由圖18可知，3種沖擊力情況下，當(dāng)荷載幅值分別達(dá)到某一值后，閥蓋的循環(huán)壽命會(huì)出現(xiàn)驟減，泄放壓力1.2、1.6、3 MPa對(duì)應(yīng)的循環(huán)壽命突變時(shí)的荷載幅值分別是10 119、10 319、9 855 N，這三個(gè)值非常接近，且都在10 000 N左右。說(shuō)明閥蓋的循環(huán)壽命在承受10 000 N左右的沖擊力情況下會(huì)出現(xiàn)驟減。也就是說(shuō)，當(dāng)閥蓋承受的沖擊力小于10 000 N以下時(shí)可以不用考慮閥蓋的疲勞損傷，此情況下閥門的結(jié)構(gòu)是安全可靠的。當(dāng)閥蓋承受的沖擊力大于10 000 N時(shí)，需要考慮閥蓋在不同泄放壓力下的循環(huán)壽命，對(duì)閥蓋進(jìn)行疲勞損傷分析以對(duì)工程應(yīng)用做出可靠的疲勞分析和損傷預(yù)報(bào)。

3 結(jié)論

對(duì)不同入口壓力邊界條件下的爆破針泄壓閥進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)閥瓣開(kāi)啟過(guò)程中流場(chǎng)的瞬態(tài)數(shù)值模擬以及閥蓋的結(jié)構(gòu)分析，得到了閥腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及閥瓣的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)流場(chǎng)機(jī)理的影響以及閥蓋在不同沖擊力作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布和疲勞壽命。數(shù)值模擬得到以下結(jié)論。

(1)閥腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)和閥瓣的運(yùn)動(dòng)是導(dǎo)致漩渦產(chǎn)生的主要原因，爆破針閥的內(nèi)部流場(chǎng)參數(shù)不僅與閥瓣的運(yùn)動(dòng)特性也與閥門本身的幾何結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(2)在閥瓣開(kāi)啟初期，閥瓣下方流體介質(zhì)會(huì)出現(xiàn)壓力的積聚，在閥瓣開(kāi)啟和停止運(yùn)動(dòng)的瞬間，由于壓力分布的突變導(dǎo)致了介質(zhì)流速和閥門泄放量的突變。

(3)數(shù)值模擬提供了閥腔內(nèi)部流場(chǎng)可視化研究的渠道，其結(jié)果可以為閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)值依據(jù)及驗(yàn)證手段。

(4)閥蓋的結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)點(diǎn)為閥蓋的中心處，閥蓋在多次循環(huán)荷載情況下的塑性應(yīng)變區(qū)會(huì)隨著荷載增大從閥蓋中心處向周圍擴(kuò)散。

(5)閥蓋存在一個(gè)最大可承受沖擊力值，在承受沖擊力低于這一值時(shí)結(jié)構(gòu)是安全可靠的，無(wú)需考慮疲勞損傷，而當(dāng)閥蓋所受沖擊力超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，通過(guò)數(shù)值模擬的手段對(duì)可能損傷進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)是有必要的。