高溫燃料流量調節閥拉瓦爾管閥口特性分析

　　高超沖壓發動機是沖壓發動機的一種，是指進入發動機燃燒室的速度為超聲速，且燃料在超聲速特征下燃燒。它是一種新型的，以高溫沖壓技術為核心的發動機技術，各國在此領域都在研究，其中俄羅斯和美國走在前列，已經有
　　
　　高超沖壓發動機是沖壓發動機的一種，是指進入發動機燃燒室的速度為超聲速，且燃料在超聲速特征下燃燒。它是一種新型的，以高溫沖壓技術為核心的發動機技術，各國在此領域都在研究，其中俄羅斯和美國走在前列，已經有初步成型的產品問世。沖壓發動機主要由燃燒室、進氣道、尾噴管組成。其工作原理為發動機的迎面來流（空氣流）首先進入進氣道，進氣道將來流的部分速度能轉變為壓力能，完成壓縮過程。滯止到一定速度的氣流進入燃燒室，與噴入的燃料迅速混合，在等壓條件下進行燃燒。燃燒后的高壓、高溫燃氣，經收斂-擴張噴管加速后噴出，產生推力。沖壓發動機一般應用于飛行馬赫數高于6的飛行器，如高超聲速巡航導彈，高超聲速飛機和空天飛機。
　　
　　為準確控制流入發動機的氣流速度與壓力，并調節進入燃燒室的燃料的流量，使其準確的按照需要分配釋放熱量，因此設計的大流量燃油流量調節閥，在沖壓發動機中起著關鍵的作用。
　　
　　基于拉瓦爾管形高溫閥口設計是指將拉瓦爾管特性用于閥口設計中，從而達到準確控制流經閥口氣體的目的。此閥的設計方案如下：
　　
　　（1）閥芯采用錐閥，為利用拉瓦爾管特性，氣體從錐閥底部進入，沿錐閥尖部流出，此控制方法目的是在閥口處形成拉瓦爾管狀結構，控制氣體流量。
　　
　　（2）閥芯采用液動，由驅動活塞提供動力，可以實現響應速度快的目的。
　　
　　1結構及工作原理
　　
　　閥芯采用錐閥形式，由驅動活塞推動錐形閥芯控制閥口開度，在回路中，燃料流體經zui左端的閥口進入主閥，由錐形閥芯控制流量大小。閥芯的開度由電液伺服閥驅動的驅動活塞來控制。
　　
　　原理圖中：主閥8、電液伺服閥5、活塞缸11都固定在固定板1上。電液伺服閥與活塞缸通過閥塊3進行管路連接，活塞桿2與主閥閥芯采用法蘭連接，同時活塞缸要與主閥固定在一起。
　　
　　電液伺服閥控制驅動活塞桿左右移動，從而控制主閥閥芯位移大小，調節燃料通過主閥閥口的流量。閥口的設計借鑒拉瓦爾管的特性及形狀考慮，這樣可以滿足閥口出口處氣流超聲速的要求，也實現了不同壓差下氣體流速保持不變的目的，改善了高溫閥的特性。
　　
　　2拉瓦爾管狀閥口數學模型及設計
　　
　　拉瓦爾噴管是一個先收縮后擴張的管道。它的主要特性是，在管道出口得到馬赫數的超聲速氣流。在相同面積比的情況下，進口總壓與出口反壓比值不同時，管內氣體呈現不同的流動狀態。拉瓦爾噴管的正常工作條件是：管道前后壓力比大于臨界值；出口截面積與zui小截面積的比值與的超聲速氣流馬赫數相適應。
　　
　　拉瓦爾噴管的流動特性是：同樣溫度，進口壓力條件下，通過噴管的氣體流量即只與喉部面積與出口面積比有關。這種流動特性利于高溫下對于氣體流量的控制，因為一定范圍內不受前后壓差變化的影響，易于實現流量穩定。拉瓦爾管正常工作時，zui小截面處氣流馬赫數為1的臨界狀態，氣流參數是臨界參數，運算起來比較簡便。因此，一般都用計算流過zui小截面的氣體流量的方法來確定拉瓦爾管的氣體流量。據此，拉瓦爾管的氣體流量公式可寫為：
　　
　　（1）
　　
　　Km——熱流系數
　　
　　P0*——進口氣體總壓（Pa）
　　
　　T0*——進口氣體總溫（K）
　　
　　At——喉部面積（m2）
　　
　　從式中可以看出，在zui小截面處的氣流馬赫數為1的臨界狀態下，拉瓦爾管的氣體流量只只取決于管道進口氣體的總壓和總溫以及zui小橫截面積。
　　
　　其中P0*為進口總壓，為10MPa。按進口壓力P0*=10MPa，出口壓力Pe=1MPa進行初步設計。
　　
　　（2）
　　
　　（3）
　　
　　λ——氣體速度系數
　　
　　進一步查表確定λ=1.75，q（λ）=0.4961
　　
　　（4）
　　
　　q（λ）——氣體相對密流
　　
　　根據喉部面積比，及加工工藝綜合考慮，確定如圖4所示閥口結構。
　　
　　圖4閥口設計簡圖
　　
　　3基于FLUENT的閥口流場仿真
　　
　　運用FUENT軟件進行閥口處的流場進行仿真，分析閥口流量特性及壓力和速度分布。
　　
　　具體仿真步驟如下：
　　
　　1）利用CAMBIT建立計算域和邊界條件類型；
　　
　　由于閥口形狀為*對稱，故在仿真過程中為簡化計算可利用二維圖形代替三維仿真，網格劃分如圖5所示。
　　
　　圖5閥口分析網絡
　　
　　2）利用FLUENT求解器求解。
　　
　　在計算過程中對流體及邊界條件做如下：
　　
　　1、流體為*氣態，可壓縮氣體，實驗時可采用氮氣模擬，故仿真可用理想氣體近似。
　　
　　2、采用spalart一Anmaras湍流模型，此模型方便易收斂。
　　
　　3、仿真時閥入口溫度采用實驗條件下的600℃，出口為500℃。
　　
　　4、入口和出口分別采用壓力入口和壓力出口邊界條件，其余為壁面接觸。分別改變入口壓力和出口壓力，作出仿真結果。
　　
　　4流場仿真結果
　　
　　根據拉瓦爾管建模思想，采用FLUENT軟件，對設計主閥閥口處進行仿真。入口為10MPa，出口為SMpa，閥口位移為8.Omm時的仿真結果表明，燃料氣體在閥口zui小截面處達到聲速，之后氣體繼續加速變為超聲速。圖9、圖10可以看出，達到穩定時，氣體在閥入口與閥出口處流量持平。這符合拉瓦爾管特性流量調節機制。
　　
　　閥口入口壓力不變時（10MPa），通過改變閥口出口壓力，作出多組仿真結果，得到不同出口壓力下的氣體通過閥口的流量如圖10所示。同理當閥口出口壓力保持不變（1MPa）時，改變不同的入口壓力值，得到流量結果如圖11所示。
　　
　　仿真結果表時：閥口形狀固定后，出口壓力小于一定值（7MPa）時，流入流出閥口的氣體流量與出口壓力無關，只取決于入口壓力（10MPa）。即時，流量只與入口總壓（10MPa）有關，且近似為線性關系。
　　
　　改變閥芯位移x或者改變閥芯形狀，可以得到相似的仿真結果，以此不再論述。
　　
　　5結論
　　
　　對比仿真結果與數學模型可以得出以下結論：
　　
　　1）高溫閥的閥口采用拉瓦爾管形狀設計方案后，當閥口開度不變時，前后壓強在一定的比值范圍內，流經閥口前后的氣體流速基本保持不變，與理論分析的結果相吻合。
　　
　　2）氣體在閥口喉部流速達到聲速，進入閥口后進一步加速到超聲速，仿真結果與拉瓦爾管的數學特性相適應。