高压蒸汽阀中气流流动特性的定性分析蔡定硕,陶正良,严春雷(上海理工大学动力工程学院,上海,200093):100125884(2003)0120036203分类号:TK264.9文献标识码:AQualitativeAnalysisofFlowCharacteristicinHighPressureSteamValveCAIDing2shuo,TAOZheng2liang,YANChun2lei(CollegeofPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)Abstract:Inthispapertheauthorgivethequalitativeanalysisofhighpresssteamvalve.Studiedtheunsteadyflowinin2nerfluidfieldtheexcitationarousedbytheunsteadyflow.Theexcitationforceofvalvegettinglowerbyremodeledthecornofthevalve.Thisiscertificatebyexperiment.本所做实验而规定的阀碟的宽度与纵深度,把阀碟定义为宽度为80mm、纵深度为170mm,这时纵横比就达到2以上的数值,与实验相符。在这里以二元模型为主,对其进行详细的流体流动分析。其结果搞清了阀内气流的不稳定流动情况。分析其原因并在此基础上进行了阀芯的改型,并且把它与实验进行比较,得到了良好的仿真。0前言汽轮机的阀门要在高温高压条件下动作,因其结构复杂,所以不能直接测定其振动,虽然很难掌握它的定量振动值,但可以进行如下的定性分析。在这里把强迫振动作为研究对象,为了明确找出振动的原因而进行模型数值模拟实验,并把各种振动现象展现出来以研究其解决方法。由于在阀门内部的气流流动情况过于复杂,所以为了知道初步的流动情况,必须将轴对称的三元阀做成二元化的模型处理。以通过轴线的面切三元阀模型所得的截面在其纵方向上的拉升,便得到一个基本反映阀门内部流场的实体模型。图1是圆头阀门的二维计算流道,这里并没有反映在Z方向的拉伸。1阀内气流流动不稳定性研究如同所有流动问题一样,借助模型模化总是困难的,因为这必须从观察中提取现象的特征部分,而不能确定运行时气流流动的极为复杂的情况。因此建立了几个具有固定集合特征的模型,以排除目前正在研究的气动弹性力学现象。同样,为了避免由于模型进口处上游紊流度的变化而使数值模拟结果出现偏差;及避免气流在进入阀门喉部时的流动不均匀现象,对于所建立的几何模型进行了处理,即把阀模型的入口通流面积做成充分大。此时在喉部处压力变化是非常小的,对喉部流动不至于有太大的影响。同时把二维型的入口的紊流度设为2%(一般情况为5%)。从表1中的数据可以清楚地看到在流体流动方向上速度场经历了两个峰值,即出现了两次超音速流动。从图2(b)上也可以清晰地辨认出阀内的速度场被亚音速区分开隔成的两个超音速区的现象,整个情况犹如在具有两个临界界面的超音速风洞中激振时的情况一样。图1阀门的二维计算流道同时在X,Y方向上分别设置了150和200个网格,在Z方向的网格为1。这样在喉部的细小缝隙处有6个完整的网格,从而避免了运用PARSOL网格而增加计算时间。为了使这个实体模型得到良好的二元流动性能,根据日收稿日期:2002209230作者简介:蔡定硕(19742),男,硕士研究生,上海理工大学动力学院,上海市军工路516号1信箱,200093。第1期蔡定硕等:高压蒸汽阀中气流流动特性的定性分析37表1图2(a)所列各点的速度值流型图(p后/p前分别为图3(a):0.9、(b):0.6、(c):0.2)。从图中可以看出,阀和阀座以后的流动,当压力比大的时候(图3(a)),从一侧面出来的射流直接喷到阀的中心位置,附着在阀上,另一侧面的射流从喉部直接喷出,形成从阀门和阀座喷离的自由射流。也就是两个方面的射流构成在稍微离开阀体表面处左右非对称的流动的汇流。当压力比变小的时候,从左右喉部出来的气流的尾流逐渐向流道中心偏移(图3(b))。当压力比进一步变小时,二者都成为自由射流,在阀的后流处形成左右对称的合流(图3(c)),即表明没有产生象圆柱绕流那样的旋涡和无规则的冲流。日本东芝公司对阀门内部流体引起的振动作了实验研究。图4是实验通过摄影机拍下的纹影照片,它表示当阀开度一定时,随着压力比的改变流动形式的变化。它在这3个压比的情况下所出现的流型与数值模拟的结果基本吻合,从而证明了数值模拟的合理。在图2(b)中扩压段部位近壁面处,在厚附面层中出现了一道连续的脱流激波,它把扩压器内的流场分割为上游超音速区和下游亚音速区...