(外文翻译)一项对流经液化天然气安全阀的气体的研究

1、热科学学报一项对流经液化天然气安全阀的气体的研究*安东国立机械能源大学*动力集团研究所，韩国标准与科学*佐贺大学机械工程学系 安全阀的功能是用来控制液化天然气运输线里面内部压力的上限值，如果安全阀喷嘴内部的压力超过预先设定在插在喷嘴上的阀片的值，多余的液化天然气就会从喷嘴和阀片之间的间隙流出，在这种情况下，作用在阀片上的力由流出的液化天然气的气压动力和阀片后的弹簧提供的机械力组成。间隙中的流动是很复杂的，牵涉到漩涡，分流以及冲击波。这些对系统不利的影响，伴随着噪音和振动。目前的研究是针对安全阀流动物理学的了解。利用二维轴对称可压缩Navier-Stokes公式的计算工作是用来完成对喷嘴出口与阀

2、片之间的气体流动的模拟，并且与理论结果进行比较。已发现，在喷嘴出口和阀片之间存在一段距离，其中阀片的推力系数急剧增加。关键词：可压缩流动，安全阀，推力系数，内部流动，流电抗器中图分类号：O 357 文档代码：A 文章编号：10032169(2006)04-0355-06介绍 由于经济运行以及相较于传统的柴油船舶引擎，减少了噪音和振动，液化天然气船引擎在海洋运输领域受关注，当液化天然气的压力变化异常或波动激烈时，液化天然气船引擎将伴随着爆炸的可能。因此，提供一个防备引擎内部不可预测的压力异常的安全设备是非常重要的。在一般情况下，一个安全阀经常用作一个安全装置来控制各种管道内部压力的突然变化，虽然

3、其结构简单，实际上安全阀的设计是不容易的，因为流量通过是非常复杂和难以预可预测。 图1展示了一种典型的液化天然气船引擎的安全阀的结构，该安全阀包括一个喷嘴和一个阀片，当一个意想不到的压力提供时，安全阀会从喷嘴出口分离并堵住阀片使其保持恒定的液化天然气压力，在这种情况下，喷嘴出口和阀片之间的距离是由从喷嘴出口喷出的气体动力学力以及背后的弹簧的机械力决定的，在安全阀设计中正确的预测扮演着一个很重要的角色。 当喷嘴的配置和操作压力比给出，通过喷嘴的流动特性可以很容易的被得知，例如，如果流动阻塞，那么在喷嘴出口的流量将成为一个过度扩张，正常扩张，或欠膨胀射流，这取决于在喷嘴出口的压力和周围环境。【2】

4、然而，在液化天然气船舶发动机的安全阀的情况下，当喷嘴内部的压力超过一个预先设定的值，阀片插入喷嘴出口并分离。在这种情况下，流动将包括漩涡，流动分离，时间变化等以及当阀门出口与阀片之间的距离足够大时，将会产生冲击波。这些复杂的流动现象产生的流动噪声和振动会对引擎产生破坏，因此，在安全阀的设计中，对阀片与喷嘴出口之间的区域产生的流动现象有一个正确的了解是非常有必要的。 本研究实行理论和计算分析以对针对液化天然气船舶引擎的安全阀设计提供一个基本知识基础，通过改变喷嘴入口的气体压力，以及阀片与喷嘴出口的距离，气体动力学势力来进行理论预测和分析。在计算分析中，在喷嘴出口与阀片之间的可压缩流要详细地调查，

5、并且与理论分析的结果进行比较。 理论分析安全阀在喷嘴出口观察到的的推力如在图2所示，使用区域，质量流率（），速度 如果通过喷嘴的流动时一维等熵流，那么下面的公式是使用理想气体的状态方程来观察的： 其中， 是喷嘴喉部的区域。气体常数，比热和p0,T0分别是总压力和总温度。 如果式（2） - （4）代入式（1），该止推可以通过以下方式获得：而推力系数被定义为： 图片2 喷嘴的控制体积计算分析 图片3 萨菲特安全阀示意图目前研究中使用的安全阀的计算域以及边界条件在图 3中举例说明。喉部半径有13.75mm,还有工作气体（空气，=1.4）被引进喷嘴内部，并从喷嘴出口流出，放出的流体撞击在阀片上面，并向

6、周围释放。阀片鞭策冲蚀流，使其转向，这中间在喷嘴外面还存在几个步骤，采用标准k一£湍流模型的轴对称，两维的我，的可压缩Navier-Stokes方程在目前的计算机中使用。预条件方程进行离散采用有限体积计划，其中细分为物理域的数值细胞和整体空间方程，施加到每个小区。此外，在控制方程的时间导数，一个隐式的多阶段的时间步计划被使用时，用以计算的积分方程被称为文献。 关于边界条件，总压力，静压力施加到的流入口和出口轴对称条件下安全阀减少了完整域计算方面的努力。并在绝热，无滑移条件用于所有的壁面边界。 为改变喷嘴出口与阀片之间的距离，阀片在L/R=0.40.5之间的范围移动。而操作压力比 表1

7、 测试情况结果及讨论 ，在喷嘴出口流出的超音速流撞击在阀片上面，并平行于阀片流动。流动到凸起的时候突然改变方向，从该图中，观察到了板块冲击上游的阀片，和冲蚀流加速到超音速流它从阀片的中心逸出，此外，外表面之间的喷嘴和反射流，存在强旋涡限制膨胀的射流。 通常，在操作压力比等于5.5的时，超音速流内部的流动阻塞在喉部，在喷嘴出口呈膨胀状态。然而，在图片5（a）的情况下，由于阀片在喷嘴出口分离不够，阀片限制射流的扩展。所以流体在亚音速条件下沿着阀片运动，并且在它达到阀片中心与凸起之间的某个点时开始扩展。图片5（b）中，阀片的位置向下游移动时，在喷嘴出口观察到膨胀波以及在支线与阀片之间的某个点观察到冲

8、击波的产生。冲蚀流平行于阀片流动并加速到超音速，并在冲击之后变到亚音速。在图片5（c）中，流体在喷嘴出口扩展，射流边界以及膨胀波能够很好的被观察到,并且在阀片上游存在板块冲击。由于阀片向下游进一步移动，流动显示典型的欠膨胀超声速气流，如图5（d）的下游侧的喷嘴出口射流，撞击后，流程变为亚音速流动。并释放到周围环境。 为了调查阀片位置对射流流场的影响，图6绘制了阀片上的冲击压力分布，条件是当。径向与阀片中心的距离在横轴上以喉部半径归一。在坐标系中以停滞压力对冲击压力进行归一化。在L/R=0.5的情况下,，最大冲击压力产生在阀片中心几乎相当于上游的停滞压力。随着r/R的增加，冲击压力瞬间减少到r/

9、R=2.0然后再次增长，并在凸起为r/R=2.73时再次减少，随着阀片向下游移动，阀片中心的冲击压力也随之降得更低，在L/R=0.40.5的情况下，流体在凸尖的时候展现出急剧扩张的现象。当L/R=4.0时，尤其是最大冲击压力位于阀片与凸尖之间的某个点这是因为当喷嘴出口与阀片之间的距离满足喷嘴出口的扩张射流时，随着操作压力的提升，存在一个在阀片中心波动的的弧形冲击波。 图7显示了喷嘴出口的推力系数理论值与计算结果的比较。计算是在的范围内执行的，实线显示了推力系数随着操作压力比的增加而增加。因为根据公式1，喷嘴出口的压力，速度和质量流率随着操作压力比的增加而增加。理论分析的结果指定了正确的扩张流。

10、左侧和右侧的实线分别表示正确的扩张和膨胀。CFD模拟结果与理论结果完全一致在。表现了操作压力增加时下膨胀的增加。图7推力系数与操作压力比的比较 图片8显示当恒定的操作压力比给定时，阀片位置变化时阀片上力的变化。喷嘴出口和阀片之间的距离由喷嘴横坐标半径以及推力系数归一， ，在纵坐标上表示由喉部的停滞压力与区域归一化后在阀片上的力。当L/R=0时，因为阀片插在喷嘴上面，所以没有燃气动力提供给阀片。随着L/R增加，增加迅速并显示了最大值，然后又随着L/R增加降低。通过检查，在L/R=0.00.5，的范围内，显示了迅猛的增长，它可以被认为的拐点可存在于显示出突然的增量的范围内。图8 图9显示了 的变化

11、，以及当恒定的L/R给定时操作压力比的变化，从数据中可以看出，这表明，对于相同的操作压力随着L/R的偏较高而较高。 结论 （1） 当操作压力比为1.5时，CFD模拟结果与理论分析的结果是完全一致的，并且在喷嘴出口的流动成为欠膨胀射流的操作压力比的增加。 （2）当L/R从0变到一个低于0.5的较低的值时，在阀片上的推力系数急剧增加，并且随着L/R进一步增加而减少。 （3）3）当操作压力增加时 安全阀在喷嘴出口处推力系数变的更大，而在阀片处的推理系数变小。参考文献【1】S F Jr Harrison,DM Papa,U DUrso,J A Cox,W F Hart,D R Keyser,C A Neumann,D J Scallan,D G Thibault,Z Wang，B S York Pressure Relief Devices。ASME PTC 25-2001。【2】J E A Jhon.Gas DynamicsBoston，Allyn and Bacon,1984.9496【3】A H ShapirorI11e Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid flowThe Ronald Pr