针对应用于动力锅炉超压保护装置的蒸汽安全阀，为了满足ASME第Ⅰ卷对其超过压力、启闭压差等性能指标的规定和要求，应用于此工况的蒸汽安全阀多采用双调节环结构。针对此 类蒸汽安全阀双调节环的特殊流道结构，建立可压缩流场计算模型，利用数值模拟与试验相结合的方法，研究其开启高度对排放能力的影响规律，为后期双调节环蒸汽安全阀流道结构优化提供指导。
01 概述
安全阀是锅炉、压力容器、压力管道等承压设备不可缺少的一种安全装置，用来防止系统压力超过允许的极限值，以确保系统的安全运行。其中采用双调节环结构的蒸汽安全阀应用于高温高压蒸汽工况，主要应用于火电、核电等重要场所，有着巨大的市场需求，在目前公开发表的文献中，关于此类安全阀的研究工作还较少，因此很有必要对其开展基础研究。为了保证安全阀实现超压保护的功能，必须具备足够的排放能力，而开启高度是影响安全阀排放能力的主要因素之一。本文利用CFD仿真软件，通过数值模拟及试验相结合的方法，深入研究双调节环蒸汽安全阀开启高度对其排放能力的影响规律及其机理。
02 计算模型的建立
2.1 求解域的选择
根据双调节环蒸汽安全阀排放机理，确定仿真研究的流场区域为从安全阀入口到安全阀出口由阀座、阀瓣、上下调节环、衬套、导套和阀体等零件所构成的三维空间，如图1所示。
湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟和非 直接数值模拟2种方法。直接数值模拟方法论上计算结果精度很高，但相应的计算量巨大，现有计算能力无法满足，所以目前还无法用于真正意义上的工程计算。在非直接数值模拟方法中，根据近似和简化的方法不同，主要分为大涡模拟方法、Reynolds平均法和统计平均法。目前，Reynolds平均法中的涡粘模型方程法在工程应用中最为广泛，获得的计算结果在工业上的很多相关流动中得到了证实，其中主要模型是标准k-ε模型、改进型RNGk-ε模型 和Realizable k-ε模型。根据陈殿京博士文献中关于不同k-ε模型对于气体介质安全阀内部流场适用性的研究，最终明确使用标准k-ε模型和Realizable k-ε模型更适用于安全阀内流场研究。在数值模拟方面，运用其研究成果，将 Realizable k-ε模型作为湍流模型。
2.3 边界条件
所有的CFD问题都需要有边界条件，对于瞬态问题还要有初始条件。流场的解法不同，对于边界条件和初始条件的处理方式也不同。所谓的边界条件，是指在求解域的边界上所求解的变量或者其一阶倒数随地点及时间变化的规律。只有给定了合理的边界条件，问题才可以解决。
本文中安全阀内部流场计算模型所需要定义的边界条件主要包括出入口边界条件、壁面边界条件和对称周期性边界条件，如图3所示。
图3 计算域边界条件
（1）出入口边界条件
在数值仿真中，将出入口边界条件设置为压力进出口较为常见，而且这样也符合安全阀的实际工程应用，控制其工作的主要监测参数就是压力管道中的压力值。在设置出入口压力边界条件时，最重要的要求是入口对下游流动无影响，出口对上游流动无影响，所以边界条件应尽可能设置在远离关注的区域，并且避免设置在几何变化剧烈的区域或者有循环尾迹的区域。
（2）壁面边界条件
壁面边界条件设置要求既要与数值计算模型相一致，又要与流动的实际物理特性相一致。在安全阀内部流动中，由于是有粘流动，在近壁面流动区域，湍流发展并不充分，所以k-ε模型并不适用。针对壁面附近的流动，现阶段主要是使用壁面函数的方法来处理近壁面区域。壁面函数思想是对于湍流核心区的流动使用k-ε模型求解，在壁面区不进行求解，而是运用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区域的求解联系起来。计算软件Flcent提供了标准壁面函数、不平衡壁面函数和增强型壁面 函数等3种壁面函数。标准壁面函数能够为大多数高雷诺数的边界限制流动提供合理、准确的预测，在工程设计中得到了广泛的应用，因此结合安全阀实际流动情况，本文模拟计算中均采取标准壁面函数。
（3）对称和周期性边界条件
当流动问题的几何形状具有对称或周期性变化的特征时，可以简化为只求流动区域的一部分。由于现有流场具有面对称性，计算域可简化为实际流场区域的一半，空间对称面可采用对称边界条件。在对称平面上要求满足法向速度为零，所有运输变量的法向梯度为零。
03 模型验证
在安全阀稳定工作时，工程上更为关注的是安全阀的排量，因此为了验证仿真模型的合理性，先进行流量试验的验证。由于试验台气源条件的限制， 在做流量试验时，选择了0.5MPa的入口压力，即维持入口压力为0.5MPa，测量得到流量的试验结果，再进行相同条件下的仿真研究。仿真结果与试验结果对比如表1。
从试验数据与仿真计算的结果对比中，该计算模型的流量结果与试验误差较小，满足工程上的要求，说明该仿真模型的建立比较合理。
04 计算结果
4.1 流场形态分析
经过数值模拟计算，可以得到流体运动区域内各节点上的离散解，而节点之外的物理参数，可以通过插值的方法确定。
4.2 开启高度与排放性能分析
安全阀的开启高度是指阀瓣离开关闭位置的实际行程。根据安全阀不同的开启高度将安全阀 分为微启式、中启式和全启式安全阀。对于全启式安全阀，开启高度为大于或等于流道直径的 １／４，微启式为流道直径的1/40~1/20，中启式为流道直径的1/20~1/4。
根据安全阀的结构分类及技术规定，双调节环蒸汽安全阀为全启式安全阀，其设计开高h=d/4。根据相关的数值模拟方法建立模型，对试验阀进行不同开高下的流场仿真。
其计算域根据对称面简化为一半的实际流动区域。气体计算模型选取不同开启高度共18个模型进行计算，本文中研究的HTGS型号产品实际最大开高为10mm（h=d/4）。为研究继续增大开高对安全阀流场的影响，增加了h=12mm，h=14mm，h=16mm，h=18mm，h=20mm，h=22mm，不同模 型的开启高度选取及计算结果如表2所示。
根据模拟结果可以得到一条排量系数随开启高度的变化曲线，如图5所示。
当开高喉径比大于0.1，小于0.4时（0.1≤h/d≤0.4），排量系数随开启高度的增加而继续增加，呈非线性增长，增长趋于稳定。
当开高喉径比大于0.4时（h/d＞0.4），排量系数保持不变，不随开高的增加而增加。
实际排放过程中，流体经过的面积根据安全阀相关标准中的定义，主要分为实际排放面积（确定通过阀门流量的最小净面积），帘面积As（阀瓣开启时，阀座表面与阀瓣之间的圆柱或圆锥排放面积）， 喉部面积（流道面积）A0（阀进口端至关闭密封面间流道的最小横截面积，用来计算无阻力影响时的理论排量）。
除相关标准中规定的几个特征面积之外，针对于此论文研究的双调节环安全阀，由于结构的特殊性，需要增加面积A1，各个面积如图6所示。其中深色部分为安全阀的运动部件，ｈ为开高，ｄ为阀座喉部直径，A0为对应的喉部面积，ds为密封中径，As为帘面积，A1为上下调节环之间形成的最小面积。在安全阀运动过程中，帘面积As值随开高不同而变化。
4.3 开启高度计算
（１）当h/d＜0.1时，在几何结构上As面积最小，理论上此时气流的音速面将出现在该位置处。根据全阀流场对称面马赫数分布情况，当h/d＜0.1时，音速面出现在As处并填充满整个截面，对于理想气体，处于超临界状态的流动喷管的质量流量为
当入口工况不变时，对同一结构尺寸，K、P*、T*、ds均保持不变，质量流量仅与阀瓣开高有关，且成线性关系。所以对于不同开启喉径比的模型，由于帘面积的变化即阀瓣开高的变化，导致整体安全阀流量成线性增长。
（２）当0.1≤h/d≤0.4时，排量系数随开启高度的增加而继续增加，不过增幅减小，呈非线性增长，增长趋于稳定。从图４中可以看出处的音速面不再充满整个截面，并且音速面的比例逐渐减小到最终消失；处的音速面逐渐增加，并有充满整个截面的趋势。因此在0.1≤h/d≤0.4时，排量系数体现出的非线性增加，正是由于Ma＞1的临界面从处逐渐消失到处逐渐增加，此过程总体是成非线性变化，所以最终导致整个流道排量系数也成非线性变化。
（３）当h/d＞0.4时，排量系数保持不变，不随开高的增加而增加。从图４中可以看到处的音速面已经全部充满整个截面，此时开高的变化已经不再影响处的音速面分布，此时的流量不再变化。在安全阀结构中，与面积基本相等。但当安全阀的开启高度h＞d/4时，流道中音速面出现在处而不是处，其主要原因为气流在处没有足够的压差，不会出现超音速。从这一情况也说明了安全阀内部的流动情况与理想的拉法尔喷管流动有着一定的差别。
05 试验验证
为了进一步验证理论仿真的准确性，选取一台样阀在空气试验台进行不同开高下的排量能力试验，以验证开高与排量系数的变化关系，试验结果与理论仿真对比如图7所示。
图7 排量系数随开启高度的变化理论仿真与试验测试对比
由试验结果可知，在保证上下调节环相对位置 、不变的情况下，双调节环蒸汽安全阀排放能力随着 、开高逐渐增加，h/d≤0.2时，排量系数与开高基本成线性变化。H/d＞0.2后，排量系数继续随开高的增高而增加，但是变化趋缓。当h/d＞1/3时，排量系数不再随开高的增加而增加。试验数据与理论仿真基本一致。
06 结语
针对应用于动力锅炉超压保护的双调节环蒸汽安全阀的特殊流道结构，建立了可压缩流场计算模型，利用数值模拟的方法，研究了其开启高度对排放能力的影响规律，同时采用理论仿真与试验相结合的手段，验证了仿真模型及结果的正确性。试验结果显示针对双调节环蒸汽安全阀，在h/d≤0.4的情 况下，排量能力随着开高的逐步增加而逐渐增大，当开启高度h＞0.4d后，排量能力不再变化。所以针对双调节环型安全阀，设计开启高度可以初步确定为 1/3d≤h≤0.4d之间，后期会继续开展研究工作，通过流道结构局部优化，最终确定双调节环蒸汽安全阀的设计开高及最大排放能力下的最优开高。