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1、紧急切断阀是槽罐车紧急切断装置中的主要安全附件，性能优良的紧急切断阀， 是罐车上不可或缺的重要安全屏障。近年来，随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展，应用 CFD 方 法对各种阀门的内部流场进行仿真计算和可视化分析，是流体机械领域新的研 究热点之一，其研究成果对阀门结构参数的改进及其流道的优化设计，均具有 重要的指导作用。本文运用 CFD 方法并采用 Fluent 软件，对阀口不同开口度、不同流量 状态下的紧急切断阀的内部流场进行数值模拟分析，并依据可视化的分析结果 得出紧急切断阀内部流场（速度分布、流场结构、漩涡的产生及消失等等）与 噪声、能量损失机理之间的关系，从而为紧急切断阀内部流道
2、的优化设计，提 出理论依据。 1 模型的建立1.1 几何模型紧急切断阀的主要零部件，有阀体、阀芯、阀杆、液压启闭机构等， 其结构见图 1。图 1 紧急切断阀的结构图在正常情况下，紧急切断阀处于关闭状态。在罐车卸料时，通过启动 液压闭启机构将其打开，卸料结束再将其关闭。卸料过程中，如出现管道破裂 或脱落等紧急意外状况，导致介质流出的流量急剧增大，紧急切断阀将能够自 行关闭，使物料不再外泄，这就是“过流保护”功能。1.2 数学模型假设：流体不可压缩，重力影响忽略不计，阀内流体为定常流动。在 此情况下，阀内流体的二维流动控制方程如下：（1）连续性方程（1）（2）Nacier-Strokes 方程（简
3、称 N-S 方程）（2） 其中， 为流体密度；ux、uy 分别为流体沿 x 轴、y 轴方向的速度分量；p 为流体压强； 为流体运动粘度。2 计算网格与边界条件 2.1 网格划分计算网格由 Fluent 前处理器 Gambit 软件来生产，在 Gambit 里，通过 点、线、面的顺序建立阀的二维模型，然后对线划分节点，再由面生成网格， 网格采用的是四边形网格，最后定义边界条件，输出 Fluent 软件能识别的.msh 文件。紧急切断阀网格划分如图 2 所示：图 2 紧急切断阀网格划分图2.2 边界条件 槽罐车运送的主要是液化石油气，液化石油气的主要成分为丙烷或者 丁烷。本模型选择的流体为液化丙烷
4、，温度为 15，密度为 507kg/m3，导热系 数为 32.4Wm-1K-1 比热容为 80kg-1K-1，运动粘度为 110m2s-1，流动 状态为湍流，采用 k- 湍流模型。（1）入口条件。由于为不可压缩流体，且各工况下的流量为已知，在 入口截面积一定的情况下，入口速度与流量呈正比关系，故入口采用速度入口， 入口速度由各工况的流量确定，计算公式如下式：其中，Q入口处的平均流量；S入口处截面面积。本文选择两种工况，速度分别为 7.6m/s 和 15.2m/s，开口为 10mm 和 20mm 开口两种情况。（2）出口条件。出口选择压力出口，其压力设定为 1MPa。（3）壁面条件。流体与壁面接
5、触的边界为静止壁面。3 计算结果分析3.1 相同边界条件不同开口度下数值模拟比较为了说明开口度对紧急切断阀内流场的影响，本文在给定边界条件， 分析比较了流速相同，开口度不同时的计算结果。仿真结果如图 3 和图 4 所示 （取流速为 7.6m/s）。（a）速度分布图（b）压力分布图（c）湍流动能分布图 图 3 开口为 10mm、流速为 7.6m/s 的仿真结果图（a）速度分布图（b）压力分布图（c）湍流动能分布图 图 4 开口为 20mm、流速为 7.6m/s 的仿真结果图从给出的速度分布图、压力分布图及湍流动能分布图，我们可以看出：（1）通过紧急切断阀阀口时，由于过流断面面积突然减小，流速增大
6、， 压力减小。（2）从速度分布图（a）及湍流动能分布图（c）中，可以看到阀芯下部存在着漩涡区，随着开口度的增大，漩涡随之减少，而且阀芯下部的湍流动 能也随之相应的减小。说明能量耗散与漩涡区的大小和过流断面大小有关，阀 门开口越大，漩涡区越小，能量耗散越小；但是出口处的漩涡随开口增大而增 大，这是由于阀的出口管道成 45角，引起内外壁速度不同而造成的，对内壁 产生冲击，产生冲击噪声。（3）比较压力分布图（b），可以看到随着开口度的增大，流场内压 力的最大值减小，阀芯上下压差减小，即局部压力降减小，能量耗散减小。3.2 相同开口度不同边界条件下的数值模拟比较为了说明在相同流动区域时，即开口度相同，
7、流速对紧急切断阀内部 流场的影响。本文计算了流速分别为 7.6m/s 和 15.2m/s 时的流场，开口为 20mm。（a）流速为 15.2m/s 时速度分布图（b）流速为 15.2m/s 时压力分布图（c）流速为 15.2m/s 时湍流动能分布图 图 5 开口为 20mm、流速为 15.2m/s 的仿真结果比较图 4 和图 5，我们可以看出：（1）从速度分布和湍流动能来看，开口度一定，流速增大，紧急切断 阀内流场和湍流动能分布基本没有变化，速度分布和湍流动能只是数值上的差 异，说明在紧急切断阀内的漩涡分布的影响因素，主要是开口度不同，即通流 面积影响。（2）从压力分布图来看，随着流速的增大，流场内的最大压力值增大， 阀芯上下压差增大。4 结束语（1）数值仿真计算结果表明，紧急切断阀内部的漩涡和剧烈压力变化， 是影响紧急切断阀性能和产生冲击的主要因素。因此，减小漩涡区域和降低局 部压力降，将是对紧急切断阀进行结构改造时重点考虑的。（2）当开口度一定时，随着流速的增大，即流量的增大，阀芯上下压 差增大，因此可以根据阀芯上下压差值，来计算紧急切断阀起过流保护时的流 量值。（3）当流量一定时，随着开口度的增大，内部流场的速度变化减小， 漩涡区域也减小，局部的压力降减小，能量耗散减小；但开口增大，流量随即 增大，由阀的内部结构造成出口速度变大，产生大的漩涡。参考资料：http:/
