固体燃气阀开关状态内流场解析

固体燃气阀开关状态内流场解析

黎万腾、陈洁、卓成勇

 东南电子股份有限公司    浙江省乐清市     325600

摘要：文章以固体燃气阀为研究对象，先分析固体燃气阀的基本情况，再对固体燃气阀开关状态内流场的解析，发挥固体燃气阀的功能和作用，让固体燃气阀能符合作业需求，为燃气阀的设计和优化提供参考和支撑。

关键词：固体；燃气阀；开关状态；内流畅

固体燃气和液体燃气相比，固体燃气会有结构简单，质量较轻、质量可靠、安全性好等特点，在固体燃气工作时，还要对固体燃气阀进行应用，让燃气阀能对固体燃气进行控制，推动燃气的服务品质提升。基于此，文章固体燃气阀为研究对象，主要对固体燃气阀开关状态内流场进行研究，要求发挥固体燃气阀开关的功能和作用。促使固体燃气阀能很好地为相关行业发展奠定基础。

1.固体燃气阀的原理研究

主要对固体燃气阀的原理进行研究，要求固体燃气阀能发挥相应作用。推动燃气阀实现稳定运行。固体燃气阀，主要是用于固体燃气当中，燃气阀的工作原理是以阀芯前后压差驱动阀芯的移动当先导阀关闭，先导阀在工作时，会受到燃气充气压的影响，会出现推回的情况，燃气冲入燃气阀的阀芯尾腔当中，尾腔内的可视滞止燃气。阀头的流速相对较高，压强相对不高，阀芯会因为前后压差，出现被推动的情况，让喷管处于关闭的状态。

在先导阀处于开启状态时，会受到外力的驱动，先导阀可以实现顺时针旋转，再封堵燃气充气孔，燃气尾腔和大气是相连的。阀头的燃气压力会推动阀芯向尾部移动，最后燃气阀会被完全打开，喷管处于完全开启的状态。详细情况，可以参考如下图1所示。主要对先导阀完全关闭状态、先导阀打开瞬间和先导阀完全开启的状态的情况进行展示。

图1：燃气阀的工作原理

按照上述工作原理，能保证燃气阀保持稳定工作状态，让燃气阀能很好地满足固体燃气阀的应用需求。

2.控制方程和基本假设

结合固体燃气阀的基本情况，对控制方程和基本假设进行研究，让其能满足固体燃气阀的工作需求，使其能符合作业需求。要先展开开启和关闭状态的稳态内流场的计算。数值模拟在Fluent6.3中完成，假设流动期间没有化学反应，壁面为绝热无滑移固壁，采用可压流的N-S方程，湍流K-erealize模型。至于边界条件，要按照燃气入口旋转压力入口，总压为15MPa，总温为3000K，压强控制为101325Pa。

2.1流场控制方程

结合上述内容，实现对流场控制方程进行研究，要将其简化为二维轴对称的方式，不展开喷喉以外的部分流场，采用二维轴对称的N-S方程，实现对内部流场的求解，其具体的通用形式，可以参考如下公式（1）的基本情况。

   （1）

参考公式（1）能实现对流场控制方程的研究，公式中，u、v分别用于描述x、y方向的速度。φ用于描述通用变量，而φ=1时，为连续方程，φ还可以为u、v时描述x、y方向的动量方程，而гφ=ut；φ=T（温度）时为能量方程，其中，гφ=λ/cp，λ用于描述燃气的热导率，而cp可以为燃气的定压比热容。再对相应内容进行分析，Sc用于描述方程的源项，对于连续方程，Sc=-ρv/y，而对于x、y方向动量方程和能量方程进行研究，能得到相应内容分析如下。

     （2）

然后，公式中，然后按照公式的基本情况，可对相应内容实现计算，能获取Sc的基本情况，让方程在服务时，能发挥相应作用，为控制方程的使用奠定基础。

2.2湍流模型

在分析上述内容之后，要对湍流模型进行研究，湍流模型可以按照双方程模型中的K-ε方程，而k方程和ε方程的源项可以得到进一步研究，能得到如下方程。

     （3）

参考上述公式，能进一步展开分析，能得到u1=cpk2/ε将上述公式代入，可对湍流动能模型进行生成，可得到如下公式（4）的基本情况。

     （4）

按照上述公式，能对湍流模型进行合理研究，要求湍流模型能发挥相应作用。再对式中的相应内容进行代入，可得到CD=0.09，还有C1和C2，具体数值为1.43和1.92，然后，再对σε和σk进行研究，可用常数0.9和1描述。后续还要对边界进行研究，要求边界能发挥相应作用。

2.3边界条件

在边界条件分析时，要先对入口边界进行研究，详细分析如下。

选择容腔进气通道为基础，展开入口边界条件的计算，假设气体进入气道中，再进入容腔时，速度要实现均匀分布，方向与边界保持垂直，具体情况，能参考公式（5），按照公式（5）能对入口速度进行计算。

      （5）

上述式中，m=г/PcAt，г=γ用于描述燃气的比热比，而R用于描述气体常数，Pc、Tc、ρin和Ain分别用于描述燃气入口的压强、温度和密度、入口面积等，而At用于描述喷喉的面积，k、ε来自取值公示kin=0.004u2in，还有εin=C0.75μk1.5in/I，能实现预估工作。

再对出口边界进行研究，出口边界在针阀完全关闭时，控制阀的燃气会有不流动的情况，针阀在打开过程中，完全打开后会有2个出口，一个是喷管，另一个是针阀腔所在排气孔，边界条件在计算中，出口选用适当的分流条件。各个出口的参数邻近的上游参数外插求得。后续要展开对称和壁面边界条件按的获取。对称轴线上，垂直方向上的速度分量控制为0，所有变量的垂直方向上，梯度也要得到控制，一般控制为0。对称的固壁侧则应该设定为绝热无滑移的边界。

还要注意对结构参数进行管控，要求对阀体内腔的直径得到控制，可控制为24mm，温度也要得到控制，可控制为2400K，比热比也要得到控制，γ=1.24，至于导热率，也要得到控制μg=9.218×10-5kg（m·s），导热系数λg=0.3946W/（m·K），按照上述内容，能实现对称和壁面边界条件的分析，能推动边界的作用体现。

3.计算结果的研究

结合上述分析，实现了对控制方程和基本假设的研究，再对的计算结构进行研究，二维轴对称方程要实现求解工作，因为主要关心活塞体前端流场的流动情况和受力情况，再对网格划分上将活塞体底部的容腔形状简化为一个内孔圆柱形。至于网格划分要采用贴体坐标图格，然后控制方程要选择容积法实现离散，这时，可对控制阀进行研究，控制阀相当于一个没有气体流动的容腔，针阀要保持完全打开。打开瞬间控制阀内的流体的流动状态。

控制阀在完全打开时，流场中的速度和压力分布情况要得到适当分析。然后能发现活塞底部的气流速较小，所承受的压力较大，受喷管出口收敛段的影响，活塞体的头部气流速度相对较大，且没有漩涡的存在。且相应的压力不高，高速气流对活塞体冲刷作用相对不是很明显。对于腔容积最小，活塞体的受力可以分为前腔燃气作用在活塞体上，合力和后腔外界的大气压力会给活塞体上小面积上的力值之差，提高控制阀打开时计算区域的网格划分效果。

最后能得到活塞打开和关闭形成中活塞的受力情况，横坐标的阀体运动行程，纵坐标的阀体受力。活塞体打开的全过程中，响应时间会因为受力的关系，引起差异情况。

结束语：

文章以固体燃气阀为研究对象，再对固体燃气阀开关状态内流场解析，主要对固体燃气阀进行研究，分析固体燃气阀的工作原理，再对固体燃气阀的控制方式和基本假设进行研究，要发挥固体燃气阀的功能和服务作用，推动其保持稳定工作状态，最终为人们的日常燃气使用奠定基础。

参考文献：

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