集體防護(hù)系統(tǒng)超壓控制性能模擬與優(yōu)化范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了集體防護(hù)系統(tǒng)超壓控制性能模擬與優(yōu)化參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要:對(duì)目前國(guó)內(nèi)艦艇使用的一種超壓控制閥的性能進(jìn)行數(shù)值模擬來(lái)確定其流量特性，在此基礎(chǔ)上，提出一種簡(jiǎn)化型控制閥，通過對(duì)簡(jiǎn)化型閥和原型閥的對(duì)比分析，將原型閥的閥瓣形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出優(yōu)化方案，以此來(lái)提高超壓控制閥的使用性能。

關(guān)鍵詞:集體防護(hù);超壓控制;數(shù)值模擬

作為海上作戰(zhàn)和事故救援的主要力量，水面艦艇可能隨時(shí)面臨核生化安全的威脅［1-3］。艦用核生化集體防護(hù)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)水面艦艇可以在核生化環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的唯一快速、先進(jìn)、高效的防護(hù)手段，其具備防護(hù)范圍廣、防護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)人員工作、生活和設(shè)備運(yùn)行影響較小等優(yōu)勢(shì)［4］，是世界各海軍強(qiáng)國(guó)水面艦艇先進(jìn)性的重要衡量指標(biāo)之一［5-6］。集體防護(hù)系統(tǒng)作為水面艦艇在核生化環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的高效的防護(hù)手段，其工作機(jī)理是在艦艇上劃分出一個(gè)特定的區(qū)域，對(duì)其采取相應(yīng)的密閉措施并維持該區(qū)域相對(duì)外界存在一定的正壓差來(lái)阻止外部核生化污染物進(jìn)入該區(qū)域。這一特定的區(qū)域稱為集體防護(hù)區(qū)(以下簡(jiǎn)稱為集防區(qū))，這個(gè)特定的正壓差成為集防區(qū)超壓值。集防區(qū)超壓值太高則對(duì)應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)的配置需要提升，對(duì)集防區(qū)密性提出更高的要求，且人員舒適性也會(huì)降低;超壓值太低又不能有效抵御外部核生化污染物的進(jìn)入。參考?xì)W美海軍相關(guān)規(guī)范，超壓值大概維持在300～500Pa［7-9］。超壓控制閥是一種用于集體防護(hù)系統(tǒng)微差壓控制的特殊閥門，它能夠在兩個(gè)空間之間或一個(gè)空間與外界之間形成微小的壓力差，可以達(dá)到防止相互交叉污染的目的。目前對(duì)普通閥門的壓差波動(dòng)控制及閥門阻力特性研究已經(jīng)取得了諸多成果。在實(shí)驗(yàn)方面，通過實(shí)驗(yàn)研究建立了閘閥局部阻力系數(shù)與相對(duì)開度的數(shù)學(xué)模型，指出閥門的局部阻力系數(shù)不僅與開度有關(guān)，還與管徑密切相關(guān)［10］。在數(shù)值模擬方面，文獻(xiàn)［11］簡(jiǎn)述了閥門研究的現(xiàn)狀和發(fā)展歷程。有學(xué)者采用雷諾平均的k-ε湍流模型對(duì)不同類型的閥門結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，比較了不同的湍流模型對(duì)數(shù)值模擬精度的影響，并對(duì)閥體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)［12-15］。國(guó)內(nèi)外對(duì)超壓控制閥的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究工作甚少，主要原因是超壓控制閥由于啟閉壓力較低，在實(shí)際工程應(yīng)用中有一定的困難，管路內(nèi)的控制系統(tǒng)及閥門結(jié)構(gòu)的形狀，對(duì)其控制壓力波動(dòng)以及閥門性能具有決定性的作用。采用標(biāo)準(zhǔn)的湍流模型，對(duì)目前國(guó)內(nèi)艦艇使用的一種超壓控制閥的流場(chǎng)特征及閥門特性進(jìn)行數(shù)值分析和研究，將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果作對(duì)比分析，同時(shí)建立了簡(jiǎn)化型閥門的數(shù)值模型。通過對(duì)簡(jiǎn)化型閥和原型閥的數(shù)值分析，在簡(jiǎn)化型閥基礎(chǔ)上將原型閥的閥瓣形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化方案，以此來(lái)提高超壓控制閥的使用性能。

1控制方程及數(shù)值模型

1972年Lunder和Spalding在湍動(dòng)能k方程基礎(chǔ)上引入關(guān)于湍動(dòng)能耗散率ε的方程，兩者形成了標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型。該模型是目前使用最為廣泛的湍流模型，在科學(xué)研究及工程實(shí)際中得到了最為廣泛的檢驗(yàn)和成功的應(yīng)用，因此文中采用此模型對(duì)超壓控制閥件的性能進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。在該模型中，表示湍動(dòng)能耗散率的ε被定義為在該湍流模型中，k和ε是兩個(gè)基本的未知量，與之相對(duì)應(yīng)的輸運(yùn)方程為為平均速度提督引起的湍動(dòng)能;Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能;YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn);C1、C2、C3為常量;σk和σε為湍流Prandtl數(shù);Sk、Sε為用戶自定義源項(xiàng);模型常數(shù)C1、C2、C3、Cμ、σk和σε的取值分別為:C1=1．44，C2=1．92，Cμ=0．09，σk=1．0，σε=1．3，C3的取值與浮力項(xiàng)相關(guān)，當(dāng)主流方向與重力方向垂直時(shí)C3=0。圖1為一種超壓控制閥的模型示意圖。超壓控制閥包括管路、閥門控制系統(tǒng)、閥桿、閥瓣、閥室、測(cè)量盤以及阻力板等組成部分。閥門開度由閥門控制系統(tǒng)中的步進(jìn)電機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)閥桿位置，推動(dòng)閥瓣向閥室內(nèi)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié)超壓控制閥前后壓差的作用。由于該閥安裝在艙室與露天接觸的邊界上，容易受到外界氣流場(chǎng)變化影響而產(chǎn)生一定的擾動(dòng)，因此，在閥體內(nèi)部設(shè)立阻力板，其作用是減緩擾動(dòng)。但其缺點(diǎn)也較為明顯，即會(huì)減少通過的氣體流量。超壓控制閥的數(shù)值模型根據(jù)圖1建立。由于超壓控制閥為軸對(duì)稱形狀，故在數(shù)值模擬時(shí)，根據(jù)超壓控制閥的實(shí)物圖建立二維軸對(duì)稱模型。為了方便比較超壓控制閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)特性對(duì)其性能的影響，分別建立當(dāng)閥門開度為50%時(shí)的原型閥、無(wú)阻力板型閥與簡(jiǎn)化閥的數(shù)值模型。原型閥數(shù)值模型考慮了閥桿、控制系統(tǒng)以及阻力板等機(jī)構(gòu)對(duì)其性能影響，無(wú)阻力板型閥去掉了原型閥中的阻力板，簡(jiǎn)化閥模型對(duì)閥門內(nèi)部以及閥室后方的后階梯狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅保留閥瓣。為消除超壓控制閥進(jìn)出口管路長(zhǎng)度對(duì)閥瓣前后閥室內(nèi)流場(chǎng)的影響，在進(jìn)出口管路各延伸10D，其中D為管路直徑。對(duì)所建立的幾何模型采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，閥瓣壁面及附近的網(wǎng)格考慮邊界層的影響，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密。兩種模型的網(wǎng)格劃分示意見圖2，原型閥與無(wú)阻力板型閥的網(wǎng)格數(shù)量均為39311，僅阻力板處邊界設(shè)計(jì)不同，簡(jiǎn)化閥網(wǎng)格為22952。采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。在數(shù)值計(jì)算過程中，假設(shè)閥室內(nèi)氣體不可壓，壓力速度耦合采用SMPLE進(jìn)行處理。邊界條件統(tǒng)一設(shè)置:進(jìn)口邊界條件設(shè)置為速度進(jìn)口，出口邊界條件設(shè)置為自由出流，下邊界條件設(shè)置為對(duì)稱邊界，其余均設(shè)置為壁面邊界。

2數(shù)值模擬結(jié)果分析

在原型閥門基礎(chǔ)上對(duì)超壓控制閥內(nèi)部特征進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)比原型閥與簡(jiǎn)化型閥的性能。因此首先給出了原型閥與簡(jiǎn)化閥流場(chǎng)中的壓力、速度的數(shù)值結(jié)果。兩個(gè)超壓控制閥模型內(nèi)部壓力云圖分布的數(shù)值結(jié)果見圖3。由圖3可見，原型閥中由于有阻力板的存在，兩者的壓力分布存在很大的差異。原型閥阻力板前后的壓力變化尤為顯著，存在一個(gè)較大的壓差;而在閥瓣前也存在一定的壓差。這個(gè)壓差較小，可以預(yù)見在閥瓣運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)對(duì)整個(gè)閥壓降影響較小，調(diào)節(jié)平滑。而簡(jiǎn)化閥在閥瓣前后形成較顯著的壓差變化，尤其在閥瓣和閥室交界處壓力場(chǎng)分布明顯不均，這意味著在閥瓣運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較為明顯的擾動(dòng)。超壓控制閥模型中速度場(chǎng)分布的數(shù)值結(jié)果見圖4。由圖4可見，在原型閥中由于阻力板的存在，在閥內(nèi)有較大的漩渦流動(dòng)存在，主要分布在閥瓣與阻力板之間。在阻力板前后有較大區(qū)域的低速流動(dòng)區(qū)域，當(dāng)流體流經(jīng)閥瓣時(shí)，在閥瓣后方并不能充分發(fā)展。簡(jiǎn)化型閥門中剔除阻力板及其他機(jī)構(gòu)以后，閥瓣前后的速度場(chǎng)分布相對(duì)均勻，僅在閥瓣后方及閥瓣的上方存在漩渦結(jié)構(gòu)，速度場(chǎng)分布得到明顯改善。圖4速度場(chǎng)分布數(shù)值結(jié)果管路流量Q定義為單位時(shí)間內(nèi)的流量Q=π4D2•v。其中:D為管路直徑;v為管內(nèi)流速。在超壓控制閥中流量－壓差曲線來(lái)表征管路達(dá)到某一流量時(shí)，超壓控制閥所受到的前后壓差即為閥門受到的流體阻力，因此，在流量一定的情況下，超壓控制閥件前后的壓差越小，其閥門流量性能越高。原型閥與簡(jiǎn)化型閥的流量壓差曲線見圖5。由圖5可見，原型閥中管路中的流量隨著閥門前后的壓差的增加緩慢，由于原型閥門內(nèi)控制系統(tǒng)、阻力板、測(cè)量盤等引起的壓力損失，尤其是阻力板的存在很大程度上改變了超壓控制閥內(nèi)流場(chǎng)及壓力分布。在閥件前后壓差Δp=500Pa時(shí)，流量在630m3/h;若管路流量達(dá)到1000m3/h時(shí)，其閥件前后壓差Δp需要達(dá)到1100Pa，其流動(dòng)阻力很大。圖5原型閥與簡(jiǎn)化閥性能對(duì)比簡(jiǎn)化型超壓控制閥中管路中的流量隨著閥件前后壓差的增加而急劇增加，若達(dá)到與原型閥管路中同樣的流量，閥件前后的壓差Δp僅為160Pa左右。如果僅去除阻力板保留控制系統(tǒng)等其他部件，其流量性能比簡(jiǎn)化型略差，可見其影響流量主要的因素為設(shè)置了阻力板。設(shè)置了阻力板的閥件，增加了超壓控制閥前后的壓差損失，減少了管路流量，從而降低了閥門的流量特性。但在另一方面，使得流量曲線更為平緩，增強(qiáng)了調(diào)節(jié)能力。為了對(duì)比數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)閥件實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)僅對(duì)無(wú)阻力板的實(shí)物閥進(jìn)行了測(cè)試、無(wú)阻力板閥件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖6。試驗(yàn)測(cè)得當(dāng)流量達(dá)到1000m3/h時(shí)，閥門的閥前后壓差約為220Pa。對(duì)于去阻力板型閥門和簡(jiǎn)化型閥門，計(jì)算所得的流量與閥門前后壓差之間的關(guān)系曲線均較為陡峭，當(dāng)流量達(dá)到1000m3/h時(shí)，其壓差分別處于260Pa和150Pa。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)值介于無(wú)阻力板數(shù)值結(jié)果和簡(jiǎn)化型數(shù)值結(jié)果之間，三者結(jié)果較為接近，仿真計(jì)算的結(jié)果基本準(zhǔn)確可信。

3超壓控制閥閥瓣形狀的優(yōu)化

數(shù)值模擬結(jié)果表明，除了阻力板之外，閥內(nèi)主要的阻力損失集中在閥瓣處。該處旋渦區(qū)依然較大并造成整體壓力分布不均勻，對(duì)閥門整體性能產(chǎn)生不利的影響。阻力板是為減少外界氣流擾動(dòng)而設(shè)置的，可以隨著使用需求而取消。因此改善閥室內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)主要考慮改善對(duì)閥件中的主要部件－閥瓣進(jìn)行形狀上的優(yōu)化，從而減少閥室內(nèi)的漩渦來(lái)降低壓力損失，從而提高超壓控制閥的整體性能。根據(jù)簡(jiǎn)化型閥門的流場(chǎng)分布特征，分別設(shè)計(jì)了尾凸和首尾凸兩種閥瓣形狀進(jìn)行研究，建立數(shù)值模型并劃分網(wǎng)格，見圖7。網(wǎng)格數(shù)分別為13110和12914。尾凸型閥瓣模型是通過優(yōu)化尾部型線改善閥門閥瓣后方的流場(chǎng)狀態(tài)，而首尾凸型是通過修改首部型線來(lái)改善其流場(chǎng)狀態(tài)。將優(yōu)化的閥瓣模型的數(shù)值模擬結(jié)果以及原型閥的數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果做對(duì)比，圖8中給出了超壓控制閥特性的流量壓差曲線。結(jié)果表明，優(yōu)化型閥門閥瓣的性能要優(yōu)于無(wú)阻力板原型閥，在流量為1000m3/h的情況下，優(yōu)化型閥門閥瓣的壓差相對(duì)于無(wú)阻力板的閥門的壓差降低了7．5%，性能與簡(jiǎn)化型模型相當(dāng)。說(shuō)明通過對(duì)閥瓣形狀的優(yōu)化可以抵消掉部分由控制系統(tǒng)等其他機(jī)構(gòu)帶來(lái)的阻力損失。圖9和圖10分別給出了不同壓差下的閥門流量系數(shù)和兩種閥瓣型線優(yōu)化后的壓差改變幅度。結(jié)果表明，經(jīng)過閥瓣的型線優(yōu)化之后，超壓控制閥的流量－壓差性能得到提高。從流量系數(shù)來(lái)看，優(yōu)化后的兩個(gè)模型的流量系數(shù)都超過0．55，最大達(dá)到0．64，特別是尾凸型閥瓣在閥瓣前后壓差較小時(shí)表現(xiàn)出更良好的特性，而存在臨界的前后壓差值;當(dāng)大于某個(gè)臨界壓差時(shí)，首尾凸型閥瓣的性能要高于尾凸型閥瓣。經(jīng)過優(yōu)化的兩個(gè)閥瓣的性能均比簡(jiǎn)化型閥門要高。對(duì)比兩個(gè)優(yōu)化型閥門的閥瓣，在管路流量較小時(shí)，尾凸型閥瓣壓差改變的比例要遠(yuǎn)大于首位凸型閥瓣;隨著管路流量的增加，尾凸型閥瓣的前后壓差的變化逐漸呈線性減小的趨勢(shì)，而首位凸型閥瓣的前后壓差的改變比例基本維持在10%上下浮動(dòng)。無(wú)論尾凸型閥瓣還是首尾凸型閥瓣，均對(duì)提高閥門的性能有較好的效果，但相對(duì)于尾凸型閥瓣，首尾凸型的閥瓣的厚度增加，在實(shí)際加工和應(yīng)用過程中受到一定的限制。

4結(jié)論

1)通過對(duì)超壓控制閥閥室內(nèi)流場(chǎng)特征分析，結(jié)果表明，超壓控制閥內(nèi)的壓力波動(dòng)和損失主要由閥瓣和閥室形狀引起，尤其是當(dāng)原型閥中有阻力板存在時(shí)，增加了超壓控制閥前后的壓差損失，減少了管路流量，從而降低了閥門的流量特性。另一方面，使得流量曲線更為平緩，增強(qiáng)了調(diào)節(jié)能力。在實(shí)際使用中可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)選擇使用。2)除了阻力板之外，閥內(nèi)主要的阻力損失集中在閥瓣處。該處旋渦區(qū)依然較大并造成整體壓力分布不均勻，對(duì)閥門整體性能產(chǎn)生了不利影響。在原型閥的數(shù)值結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了兩種閥瓣型線優(yōu)化方案。仿真計(jì)算結(jié)果表明，提出的優(yōu)化型閥門閥瓣的壓差相對(duì)于原型閥的壓差降低了7．5%，其閥門的性能得到了一定提升。下一步對(duì)集防系統(tǒng)的超壓控制閥研究，將主要集中兩個(gè)方向:①提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力和精度，通過主動(dòng)控制來(lái)消除壓力波動(dòng)的影響從而可以取消阻力板，進(jìn)一步提升閥門的整體性能;②采用試驗(yàn)和仿真結(jié)合的手段，對(duì)閥體內(nèi)部尤其是閥瓣進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，進(jìn)一步優(yōu)化閥體的流量特性。

參考文獻(xiàn)

［1］林芃，王吉，包劍．水面艦艇集體防護(hù)系統(tǒng)PID控制分析［J］．中國(guó)艦船研究，2015，10(4):118-124．

［4］劉虹，劉飛，王斌．海上核化生安全威脅與水面艦艇集體防護(hù)［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2011，33(7):150-155．

［5］包劍，羅雯軍，王吉．美國(guó)海軍水面艦艇核生化防護(hù)新發(fā)展［J］．船海工程，2013，42(4):81-88．

［6］梅建庭，羅一?。笮退媾灤w防護(hù)體系的構(gòu)建與作用［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(5):98-101．

［7］陳紅超，宋靠華，包劍，等．水面艦船集防系統(tǒng)的超壓值仿真分析［J］．中國(guó)艦船研究，2018，13(2):35-40．

［10］伍悅濱，曲世琳，張維佳，等．給水管網(wǎng)中閥門阻力實(shí)驗(yàn)研究［J］．哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，35(11):1311-1313．

［11］韓寧，馮衛(wèi)民．應(yīng)用Fluent研究閥門內(nèi)部流場(chǎng)［D］．武漢:武漢大學(xué)，2005．

［12］袁新明，毛根海．閥門流道流場(chǎng)的數(shù)值模擬及阻力特性研究［J］．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1999(4):60-66．

［13］張征宇，張治權(quán)，吳湘蓮，等．湍流模型對(duì)閥門數(shù)值模擬精度的影響［J］．閥門，2008(1):18-19．

［14］吳石，張文平．閥門流場(chǎng)的數(shù)值模擬及流噪聲的實(shí)驗(yàn)研究［J］．閥門，2005(1):7-10．

［15］沈新榮，章威軍，黎焱，等．一種線性調(diào)節(jié)閥的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究［J］．液壓與氣動(dòng)，2007(10):54-56

作者：包劍 羅雯軍 王吉 單位：中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心