【技术应用】具有压力相关多孔介质系数的弹簧安全阀建模示例

摘要

在CFD分析中如何对阀的开闭过程进行建模？本文基于Simcenter STAR-CCM+软件介绍一种使用多孔介质模型对弹簧安全阀进行建模的方法。该介质的阻力系数随阀门上游压力的变化而变化，以模拟弹簧安全阀的可变开度。

内容

泄压阀是一种非常常见 的装置，存在于各种流体系统中，其目的是通过允许部分流体排放到外部环境中来防止此类系统的过度增压。

一些泄压阀是专为一次性使用而设计的，即当达到临界压力时，其中一个部件（即爆破片）会破裂，从而导致流体泄漏，如果发生这种情况，则需要更换。

大多数情况下，它们是弹簧加载阀，以可控的方式将流体排出系统：阀喷嘴在克服弹簧压力的预定压力下开始打开，并随着系统压力的增加而逐渐打开，反之亦然。

在Simcenter STAR-CCM+中，可以使用DFBI模型对代表阀门的质量弹簧阻尼器系统进行建模，但由于这涉及网格运动，计算量会变得比较大（时间步长和网格运动稳定性考虑），特别是当模拟不主要关注阀门开闭的过程而是关注阀门打开后流体的扩散时，运用动网格技术来实际模拟阀门的运动就不太容易工程化。

在这篇文章中，提出了一种更简单的方法，使用多孔介质模型来近似阀门的行为。其想法是将阀门建模为伯努利方程中的局部压降，并具有相关的损失系数（Kloss）。在三维CFD模拟中，阀门简化为一个简单的圆柱体，其半径定义为实际阀门喷嘴截面面积与圆柱体的面积相匹配，长度为L。

所需的输入数据（最低要求）为：

-阀门喷嘴/挡板的流通面积

-作为系统压力函数的阀门流量特性曲线（见下图中的示例）

流体介质需要是已知的，在本例中被认为是理想气体（空气）。

该系统被描述为带有喷嘴的储液器，并考虑了3种流体状态：

-储液器 用“res”表示

-喷嘴入口 用“0”表示

-喷嘴出口 用“1”表示

一些状态变量是已知的：

-储液器中的压力和温度（根据曲线）

-喷嘴出口处的环境压力（假设气流始终保持亚音速）

-通过系统的流量（来自曲线）

通过施加质量、动量和能量守恒，并为未知流体状态变量提供初始猜测，以用来损失系数Kloss的求解。这可以很容易通过Excel实现，并使用解算器插件迭代求解。

下面的图片显示了对所涉及的方程组的简要描述。

一旦我们解决了损失系数Kloss的问题，我们最终得到了阀门引起的压降的表达式。

通过将表达式（1）与Simcenter STAR-CCM+中多孔介质中的压降（2）联立求解，我们可以导出模拟中使用的多孔系数的值；为了简单起见，我们可以将多孔粘性系数Pv设置为零，并仅使用多孔惯性系数Pi来对阀门行为进行建模。

对特性曲线上足够数量的阀门开度点重复之前方程组的求解（即确定流量和系统压力并求解损失系数Kloss），可以获得作为高于环境条件的系统相对压力函数的Pi曲线。对于低于阀门启动压力（零流量）的任何点，需要非常高的Pi值来阻断流量。将Pi值保存在.csv表中，并将其导入模拟中。如下图所示：

创建一个新的“表面平均值”或“质量流量平均值”报告来评估阀门上游部分的压力，然后在新的标量场函数中使用该报告来插值模拟中每次应用于多孔介质的正确Pi值。

对应此方法的示例模型可从以下链接中获取。此案例中，两个电芯的排气口分别两次排气增加了封闭区域中的压力，当多孔介质系统中达到一定压力时，该区域通流，部分气体被释放到外部环境。

下面是此案例的计算结果的动画：

总结

文章中介绍了一种替代的、可能更准确的方法，用于在不使用DFBI和动网格运动建模的情况下对安全阀进行模拟分析。对于相似问题的分析，尤其是电池安全阀排气的CFD分析可以进行参考借鉴。

文章来源STAR-CCM-Online