pVTt用液压驱动快开三通阀设计与流场仿真∗

徐志鹏，郭 婧，李澜吉，2，谢代梁

(1.中国计量大学浙江省流量计量技术研究重点实验室，杭州310018；2.北海船舶重工有限责任公司，山东 青岛266520)

pVTt(压力p体积V温度T时间t)法气体流量标准装置的构成如图1所示，其工作原理为：在时间间隔t内，气体进入或者排出容积为V的标准容器，依据进排气前后气体的压力p和温度T以及气体状态方程，从而计算出进排气的气体流量[1]。准确度高、重复性好、设备简单且易于维护等优点，在中国、美国、英国、日本等多个国家被用做原级标准装置，主要用于检定临界流喷嘴[2－4]。pVTt流量计量的不确定度主要来源于时间、容器容积以及气体密度计算，而时间计量的不确定度主要源于进气阀门开启及关闭过程中进气流量与稳态流量的差异，在实际操作中通常采用修正阀门启闭时间来补偿这部分差异[5]。

图1 pVTt气体流量标准装置示意图

为减少时间计量的不确定度，目前主要有两种方案：一是尽量提高进气阀的响应速度，使入口气体尽快建立临界流；二是如NIST所采用的三通阀加双容器方案，气体进过音速喷嘴后首先进入缓冲容器，待建立稳定的临界流后再通过三通阀将气体流向导入标准容器，从而实现临界流的“无缝切换”[6]。

由于pVTt原级标准装置通常需要匹配DN100以上的音速喷嘴检定，对应的进气阀门尺寸较大，常规的气缸或电机控制模式切换时间较长，提高响应速度比较可行的是采用单位体积功率比较高的液压控制方式[7]；另一方面，采用三通阀进行临界流切换，其微观过程一直缺乏深入研究，切换效果是否能够达到预期、三通阀门切换中间状态采用互相不通的“非重叠”模式还是互相连通的“重叠”模式等都未见有研究报道。“无重叠”模式下，三通阀在其中一个通道完全关闭后再连通另一个通道，其互不连通的过渡状态是否会导致气流的“阻塞”使得临界流消失?对于“重叠”模式，虽然避免了可能的“阻塞”过程，但短时间三个方向互通过程中，由于三边的气体压力、温度均不同，此时入口气体是否仍为临界流、入口气体如何向两个出口分配?由于气体流动的复杂性，常规一维方法难以结算。

为此本文一方面提出一种液压驱动的快开三通阀，并针对阀门切换过程进行流场仿真，研究气体在阀门动作过程中临界流的建立和切换情况，并对比分析“非重叠”模式与“重叠”模式。

1 快开三通阀结构与工作原理

所设计的快开三通阀的结构示意如图2所示，阀口通径为DN 150 mm，一侧单入口与上游音速喷嘴连通，另一侧两个出口分别连接下游缓冲容器和标准容器。通过液压缸驱动阀芯由此可以更加细致的了解三通阀的工作过程：上下端盖的两个管道口分别与pVTt法气体流量标准装置中的缓冲容器和标准容器相连接，阀芯孔板与端盖上两个出口重合时即可实现入口与对应的缓冲容器或标准容器连通。液压缸的伸缩动作通过曲拐、支撑杆、支撑帽以及转轴的共同作用，转换成为阀芯的旋转运动，因此通过液压缸的伸缩控制实现对三通阀工作状态的切换[8－9]。

图2 快开三通阀结构示意图

该快开三通阀的液压驱动系统主要由油源以及相应的控制阀门构成，系统原理图如图3所示。系统额定工作压力为10 MPa，活塞缸直径为D＝50 mm、d＝36 mm，蓄能器充气压力为8.3 MPa，充气体积为0.63 L。设计动作时间为50 ms。

图3 快开三通阀的液压系统原理图

2 仿真模型与仿真设置

真实的阀门结构零部件较多，完全建模难度很大且并无必要。对于本文所关心的切换过程流场而言，主要建模对象为从临界流喷嘴开始的入口到三通阀出口部分的流道，其余的密封装置、固定装置以及标准容器和缓冲容器加以忽略[10]。

图4 快开三通阀的流场仿真模型网格图

在ICEM CFD中创建二维几何模型，并划分网格[11]，由于模型比较简单，只有近壁面和拐点的地方采用的网格的加密，整个模型采用结构网格的划分方式，在验证网格无关性的基础上，所划分网格如图4所示，模型网格数有6万左右，其中90%以上的网格质量参数优于0.4。阀口遮盖部分采用一个方形区域模拟，通过仿真过程网格的运动模拟阀门状态的切换。

仿真过程分为两个阶段：

①临界流建立过程，音速喷嘴与缓冲容器连通，标准容器出口关闭，这一过程属于定常压缩流动，选用密度(density)稳态(steady)求解器。湍流模型选取的是Realizable k－e模型。其他参数保持系统默认不变，启用能量计算方程。

②阀门切换过程，在建立临界流之后，切换阀门通道以及气体流向，使临界流导入标准容器，这一过程属于非定常压缩流动，选用密度(density)非稳态(unsteady)求解器。湍流模型选取Realizable k－e模型。同时激活动网格模型。其他参数保持系统默认不变，打开能量计算方程。

采用压力入口和压力出口的设置，其压力入口为总压101 300 Pa，静压53 486 Pa，压力出口总压2 800 Pa。

动网格设置采用网格层铺(layering)来实现，真实阀芯的运动为变速过程，此处采用匀速过程进行简化模拟，通过UDF编写运动函数模拟遮盖部分运动轨迹[12－14]。

3 “非重叠”模式仿真结果分析

定常过程的速度云图如图5所示，可以看出在该阶段，气体进过临界流喷嘴后建立了较为稳定的临界流，喉部流速为音速，经过喷嘴的扩展段以后速度达到峰值。稳定的临界流为后续切换过程的初始状态。

图5 稳定流动过程速度云图

切换过程根据阀门的工作模式分为不同的阶段，在“非重叠”模式下，0～25 ms为缓冲容器通道逐渐关闭过程，标准容器通道始终关闭，在25 ms时为互不连通状态，25 ms～50 ms阶段为标准容器通道逐渐打开过程，缓冲容器通道始终关闭。

限于篇幅，此处分别截取 12.5 ms、25 ms、37.5 ms以及50 ms四个时间节点的仿真结果进行分析，对应的速度云图如图6所示。

图6 “非重叠”模式阀门切换速度云图

从中可以看出：①三通阀切换过程对音速喷嘴喉部的临界流没有影响，即使在25 ms两个出口均关闭的瞬间也保持了临界流，可知在出口面积较小的过渡阶段气体在压差的作用下进入了阀体内部空间；②在切换前后在两个管道口处的速度分布图基本保持一致，说明三通阀实现了临界流的顺利导流，从而证明了三通阀门用于pVTt切换的可行性。

在0～50 ms的完整阀门切换过程中，两个出口的流量曲线如图7所示，可以看出阀门切换过程两个出口的流量曲线均有一定的波动，另外，通向标准容器的流量在开启的后段流量较大，说明在切换阶段出口变小，气体在阀体内部有一定“缓存”，也解释了喷嘴处临界流并未因为阀门切换而中止。

图7 阀门切换过程出口流量曲线

4 “重叠”模式仿真结果分析

对于切换过程互相连通的“重叠”模式，阀芯需要运动的角度比“非重叠”模式至少减少一半，因此在仿真中将切换时间也相应减半，即25 ms内完成出口切换。取对应的中间状态和结束状态速度云图如图8所示，从中可以看出：①阀门在“重叠”模式切换过程中也不会对音速喷嘴喉部的临界流产生影响，都能实现较好的临界流切换；②切换过程的流场对比“非重叠”模式要更稳定，阀体内的气流没有明显的“阻断”现象。

“重叠”模式阀门切换过程中两个出口的质量流量变化曲线如图9所示，可以看出：①在缓冲容器关闭过程中，“非重叠”模式的变化趋势与“重叠”模式比较相近，都是阶段性的下降最后趋近于0；②对比“非重叠”模式，“重叠”模式切换过程流向标准容器的气体流量波动较小，与速度云图中现象一致；③伴随着阀门开始动作，两个出口的流量同时开始变化，直到完全切换结束，即在整个切换过程中进气气流向两个出口同时流动。

图8 “重叠”模式阀门切换速度云图

图9 “重叠”模式阀门切换过程出口流量曲线

5 结论

本文设计了用于pVTt气体流量标准装置的液压驱动快开三通阀，通过液压系统的高能量密度和液压油的不可压缩性实现阀门的快速切换。针对切换过程的流场仿真表明：①所设计的三通阀不管是在“非重叠”模式还是“重叠”模式下工作，都能实现保证切换过程中音速喷嘴临界流不中断，能够达到预期的效果，减少进气阶段的不确定性；②在“非重叠”模式切换过程，标准容器出口流量存在一定的波动，但相对于“重叠”模式，其不存在互相连通的过程，进入标准容器的气体流量可以较为的计量，因此“非重叠”模式更为合理。