【摘要】本文对短周期试验台流量调节阀及试验台尾部锥体进行了数值模拟，改进了流量调节阀喉部的设计，并得到了相应的流量曲线，通过三种尾锥体设计方案的比较，得到了最优设计方案。通过本文可以看出，利用CFD对试验台进行设计，可以详细的了解试验时气体的流动状态及参数分布，对设计方案的选择，具有灵活、快速的特点，因此CFD对试验台的优化设计十分重要。

      1  前言
       阀门是工程流路系统中的一个重要部件，在以往的阀门设计中，大多数采用了试验得到的经验公式。随着CFD技术的发展，CFD越来越多的被用在阀门的设计上。
      在涡轮试验台中，短周期试验台具有容易达到涡轮实际运行工况，能方便、独立改变雷诺数、马赫数、温度比，运行操作简单等特点，本文涉及的试验台试验段后部有一流量调节阀，主要用于调节试验台流量，控制试验参数。
       本文利用CFD对短周期试验台尾部的流量调节阀进行了优化设计。

      2 数值模拟
        数值计算采用二维轴对称可压缩N-S方程，湍流模型采用标准k一ξ模型，网格采用非结构化网格，数值格式采用二阶迎风格式。对于边界条件的处理，采用给出进口总压、总温、静压及出口背压的方法。图1是某算例的局部网格图。

     3  流量调节阀喉部设计
        流量调节阀位于试验台试验段后部，用于调节流量。试验时，储气罐压力逐渐下降，真空罐压力逐渐上升，流量调节阀始终处于临界状态，当流量调节阀偏离临界状态时，试验结束，因此从试验过程来看，本试验台的流量调节阀和普通的节流阀有很大的区别。
        图2是最初调节阀喉部设计方案，通过挡板的移动控制挡板和端壁的距离，从而达到控制流量的目的。

       图3是最初喉部设计方案数值计算的马赫图，从马赫线分布可看出由于f和G两个尖角存在，造成了流体的分离流动，形成了C和A两个低速回流区，由于这两个低速回流区的存在，使B区域成为实际的喉部，使流量控制挡板的流量控制能力大大降低。为了提高流量控制挡板的控制能力，采用的方法是将尖角f和G用圆弧过渡，减小由于分离流动造成的低速回流区，同时减小出口内壁的半径。

       图4是改进后流量调节阀数值计算的马赫图，从图中可看出D区域有一条贯穿内外壁面的马赫数为1的等值线；D区域成为流道的喉部，挡板控制流量的能力显著提高。

       图5给出了在设计进口压力下，流量调节阀的流量调节曲线。横轴为相对开度L/L₀，L为阀门开度，L₀为同一进口压力下，达到设计流量时，阀门的开度。纵轴为流量系数G/G₀，G为流量，G₀为设计流量。从图5可看出相对开度达到1.2后，流量变化很剧烈，主要是达到此相对开度后，图3中C区域的低速回流区变得很小，使试验气体流动变得更加通畅。

   

  4 调节阀尾锥体设计
        由于试验时通过流量调节阀的试验气体始终处于临界状态，试验台尾部出口气体流动状态可分为两种，当出口背压足够低时，流动为超音速流动；当背压升高到一定数值时，出口流动为亚音速流动，尾部流道中出现多道激波，流动状况复杂。尾部流道中，距流量调节阀门阀口四倍流道内径处装有一流量计，用来测量试验台出口流量，因此，要求在尽量减少流动损失的情况下，使流量计进口流场尽量均匀。调节阀尾部通常的设计形状为锥体。不同锥体形状会对下游的流场分布产生影响，本文设计了三种尾锥体方案，椭圆形尾锥体、45^o尾锥体和30^o尾锥体，并对这三种方案进行了比较。
       图6为三种设计方案，出口为超音速时的流线图，A为45尾锥体，B为椭圆形尾锥体，C为30^o尾锥体。从流线图可看出，三种方案的流动差别不大。图7为流量计安装截面的总压图，1是45^o尾锥体方案，2是椭圆形尾锥体方案，3是30^o尾锥体方案。从总压图可看出，方案2和方案3差别不大，方案1优于方案2和3，因此45^o尾锥体方案流量计安装位置总压的均匀程度要好于其它两种方案。

       图8为三种设计方案，出口为亚音速时的流线图，A为椭圆形尾锥体，B为45^o尾锥体，C为30^o尾锥体。从流线图可看出，出口流速为亚音速时，流场产生分离，在尾锥体后部出现回流区，45^o尾锥体最早出现分离，其次是30^o尾锥体，最后是椭圆形尾锥体，45^o尾锥体的分离区要大于其它两种方案，从分离区的大小来看，30^o尾锥体方案优于椭圆形尾锥体方案，椭圆形尾锥体方案优于45^o尾锥体方案。图9为流量计安装截面的总压图，1是45^o尾锥体方案，2是椭圆形尾锥体方案，3是30^o尾锥体方案。从总压图可看出，30^o尾锥体方案和椭圆形方案差别不大，这两种方案优于45^o尾锥体方案。因此45^o尾锥体方案流量计安装位置总压的不均匀程度要大于其它两种方案。

      试验时出口是超音速流动和出口是亚音速流动所经历的时间可用热力学方程大致估计出来。根据文献的试验实测数据，本设计方案的进口总压，基本上是一定值。因此试验时，向真空罐排气的过程类似于入口状态是稳定的向刚性容器的充气过程，有公式^[11]

     h₀=u_b                         (1)
     h₀是气体的比焓， u_b是真空罐内气体的比内能，如果假设气体为理想气体，有

     T₀=kT_b                        (2)

     T₀是气体的总温，T_b是真空罐内温度，k是比热比。根据理想气体状态方程，罐内气体有

      P_bV_b=mR_bT_b               (3)
      P_b是罐内气体压力，V_b是真空罐体积，m是罐内气体质量，R_b是气体常数。

     由于进口总压基本上是一定值，并且试验时阀门喉部始终处于临界状态，因此流量基本上也是定值，

     P_bV_b=mtR_bkT_b             (4)

     m是流量，t是时间。设t_a是实验经历的时间，P_ba是试验结束时真空罐压力，有

      t_a=P_baV_b/mR_bkT₀        (5)
     设t_c是气体为超音速时实验经历的时间，P_bc是试验气体开始亚音速流动的时间有

     t_c=P_bcV_b/mR_bkT₀       (6)

     式(6)与式(5)相比，得到试验气体为超音速流动的时间占整个试验时间的比例，

     t_c/t_a=P_bc/P_ba             (7)

     P_bc和P_ba可由数值计算得出，在设计流量情况下，比值约为0.8左右。因此试验气体的大部分时间处于超音速流动。
      综上所述，根据试验台的具体运行情况和试验台制作加工的情况，试验台尾部锥体的设计方案选用45^o尾锥体方案。

     参考文献
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