(外文翻譯)一項(xiàng)對(duì)流經(jīng)液化天然氣安全閥的氣體的研究

1、熱科學(xué)學(xué)報(bào)一項(xiàng)對(duì)流經(jīng)液化天然氣安全閥的氣體的研究*安東國立機(jī)械能源大學(xué)*動(dòng)力集團(tuán)研究所，韓國標(biāo)準(zhǔn)與科學(xué)*佐賀大學(xué)機(jī)械工程學(xué)系 安全閥的功能是用來控制液化天然氣運(yùn)輸線里面內(nèi)部壓力的上限值，如果安全閥噴嘴內(nèi)部的壓力超過預(yù)先設(shè)定在插在噴嘴上的閥片的值，多余的液化天然氣就會(huì)從噴嘴和閥片之間的間隙流出，在這種情況下，作用在閥片上的力由流出的液化天然氣的氣壓動(dòng)力和閥片后的彈簧提供的機(jī)械力組成。間隙中的流動(dòng)是很復(fù)雜的，牽涉到漩渦，分流以及沖擊波。這些對(duì)系統(tǒng)不利的影響，伴隨著噪音和振動(dòng)。目前的研究是針對(duì)安全閥流動(dòng)物理學(xué)的了解。利用二維軸對(duì)稱可壓縮Navier-Stokes公式的計(jì)算工作是用來完成對(duì)噴嘴出口與閥

2、片之間的氣體流動(dòng)的模擬，并且與理論結(jié)果進(jìn)行比較。已發(fā)現(xiàn)，在噴嘴出口和閥片之間存在一段距離，其中閥片的推力系數(shù)急劇增加。關(guān)鍵詞：可壓縮流動(dòng)，安全閥，推力系數(shù)，內(nèi)部流動(dòng)，流電抗器中圖分類號(hào)：O 357 文檔代碼：A 文章編號(hào)：10032169(2006)04-0355-06介紹 由于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及相較于傳統(tǒng)的柴油船舶引擎，減少了噪音和振動(dòng)，液化天然氣船引擎在海洋運(yùn)輸領(lǐng)域受關(guān)注，當(dāng)液化天然氣的壓力變化異?；虿▌?dòng)激烈時(shí)，液化天然氣船引擎將伴隨著爆炸的可能。因此，提供一個(gè)防備引擎內(nèi)部不可預(yù)測(cè)的壓力異常的安全設(shè)備是非常重要的。在一般情況下，一個(gè)安全閥經(jīng)常用作一個(gè)安全裝置來控制各種管道內(nèi)部壓力的突然變化，雖然

3、其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)際上安全閥的設(shè)計(jì)是不容易的，因?yàn)榱髁客ㄟ^是非常復(fù)雜和難以預(yù)可預(yù)測(cè)。 圖1展示了一種典型的液化天然氣船引擎的安全閥的結(jié)構(gòu)，該安全閥包括一個(gè)噴嘴和一個(gè)閥片，當(dāng)一個(gè)意想不到的壓力提供時(shí)，安全閥會(huì)從噴嘴出口分離并堵住閥片使其保持恒定的液化天然氣壓力，在這種情況下，噴嘴出口和閥片之間的距離是由從噴嘴出口噴出的氣體動(dòng)力學(xué)力以及背后的彈簧的機(jī)械力決定的，在安全閥設(shè)計(jì)中正確的預(yù)測(cè)扮演著一個(gè)很重要的角色。 當(dāng)噴嘴的配置和操作壓力比給出，通過噴嘴的流動(dòng)特性可以很容易的被得知，例如，如果流動(dòng)阻塞，那么在噴嘴出口的流量將成為一個(gè)過度擴(kuò)張，正常擴(kuò)張，或欠膨脹射流，這取決于在噴嘴出口的壓力和周圍環(huán)境?！?】

4、然而，在液化天然氣船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的安全閥的情況下，當(dāng)噴嘴內(nèi)部的壓力超過一個(gè)預(yù)先設(shè)定的值，閥片插入噴嘴出口并分離。在這種情況下，流動(dòng)將包括漩渦，流動(dòng)分離，時(shí)間變化等以及當(dāng)閥門出口與閥片之間的距離足夠大時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生沖擊波。這些復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生的流動(dòng)噪聲和振動(dòng)會(huì)對(duì)引擎產(chǎn)生破壞，因此，在安全閥的設(shè)計(jì)中，對(duì)閥片與噴嘴出口之間的區(qū)域產(chǎn)生的流動(dòng)現(xiàn)象有一個(gè)正確的了解是非常有必要的。 本研究實(shí)行理論和計(jì)算分析以對(duì)針對(duì)液化天然氣船舶引擎的安全閥設(shè)計(jì)提供一個(gè)基本知識(shí)基礎(chǔ)，通過改變噴嘴入口的氣體壓力，以及閥片與噴嘴出口的距離，氣體動(dòng)力學(xué)勢(shì)力來進(jìn)行理論預(yù)測(cè)和分析。在計(jì)算分析中，在噴嘴出口與閥片之間的可壓縮流要詳細(xì)地調(diào)查，

5、并且與理論分析的結(jié)果進(jìn)行比較。 理論分析安全閥在噴嘴出口觀察到的的推力如在圖2所示，使用區(qū)域，質(zhì)量流率（），速度 如果通過噴嘴的流動(dòng)時(shí)一維等熵流，那么下面的公式是使用理想氣體的狀態(tài)方程來觀察的： 其中， 是噴嘴喉部的區(qū)域。氣體常數(shù)，比熱和p0,T0分別是總壓力和總溫度。 如果式（2） - （4）代入式（1），該止推可以通過以下方式獲得：而推力系數(shù)被定義為： 圖片2 噴嘴的控制體積計(jì)算分析 圖片3 薩菲特安全閥示意圖目前研究中使用的安全閥的計(jì)算域以及邊界條件在圖 3中舉例說明。喉部半徑有13.75mm,還有工作氣體（空氣，=1.4）被引進(jìn)噴嘴內(nèi)部，并從噴嘴出口流出，放出的流體撞擊在閥片上面，并向

6、周圍釋放。閥片鞭策沖蝕流，使其轉(zhuǎn)向，這中間在噴嘴外面還存在幾個(gè)步驟，采用標(biāo)準(zhǔn)k一£湍流模型的軸對(duì)稱，兩維的我，的可壓縮Navier-Stokes方程在目前的計(jì)算機(jī)中使用。預(yù)條件方程進(jìn)行離散采用有限體積計(jì)劃，其中細(xì)分為物理域的數(shù)值細(xì)胞和整體空間方程，施加到每個(gè)小區(qū)。此外，在控制方程的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，一個(gè)隱式的多階段的時(shí)間步計(jì)劃被使用時(shí)，用以計(jì)算的積分方程被稱為文獻(xiàn)。 關(guān)于邊界條件，總壓力，靜壓力施加到的流入口和出口軸對(duì)稱條件下安全閥減少了完整域計(jì)算方面的努力。并在絕熱，無滑移條件用于所有的壁面邊界。 為改變噴嘴出口與閥片之間的距離，閥片在L/R=0.40.5之間的范圍移動(dòng)。而操作壓力比 表1

7、 測(cè)試情況結(jié)果及討論 ，在噴嘴出口流出的超音速流撞擊在閥片上面，并平行于閥片流動(dòng)。流動(dòng)到凸起的時(shí)候突然改變方向，從該圖中，觀察到了板塊沖擊上游的閥片，和沖蝕流加速到超音速流它從閥片的中心逸出，此外，外表面之間的噴嘴和反射流，存在強(qiáng)旋渦限制膨脹的射流。 通常，在操作壓力比等于5.5的時(shí)，超音速流內(nèi)部的流動(dòng)阻塞在喉部，在噴嘴出口呈膨脹狀態(tài)。然而，在圖片5（a）的情況下，由于閥片在噴嘴出口分離不夠，閥片限制射流的擴(kuò)展。所以流體在亞音速條件下沿著閥片運(yùn)動(dòng)，并且在它達(dá)到閥片中心與凸起之間的某個(gè)點(diǎn)時(shí)開始擴(kuò)展。圖片5（b）中，閥片的位置向下游移動(dòng)時(shí)，在噴嘴出口觀察到膨脹波以及在支線與閥片之間的某個(gè)點(diǎn)觀察到?jīng)_

8、擊波的產(chǎn)生。沖蝕流平行于閥片流動(dòng)并加速到超音速，并在沖擊之后變到亞音速。在圖片5（c）中，流體在噴嘴出口擴(kuò)展，射流邊界以及膨脹波能夠很好的被觀察到,并且在閥片上游存在板塊沖擊。由于閥片向下游進(jìn)一步移動(dòng)，流動(dòng)顯示典型的欠膨脹超聲速氣流，如圖5（d）的下游側(cè)的噴嘴出口射流，撞擊后，流程變?yōu)閬喴羲倭鲃?dòng)。并釋放到周圍環(huán)境。 為了調(diào)查閥片位置對(duì)射流流場(chǎng)的影響，圖6繪制了閥片上的沖擊壓力分布，條件是當(dāng)。徑向與閥片中心的距離在橫軸上以喉部半徑歸一。在坐標(biāo)系中以停滯壓力對(duì)沖擊壓力進(jìn)行歸一化。在L/R=0.5的情況下,，最大沖擊壓力產(chǎn)生在閥片中心幾乎相當(dāng)于上游的停滯壓力。隨著r/R的增加，沖擊壓力瞬間減少到r/

9、R=2.0然后再次增長(zhǎng)，并在凸起為r/R=2.73時(shí)再次減少，隨著閥片向下游移動(dòng)，閥片中心的沖擊壓力也隨之降得更低，在L/R=0.40.5的情況下，流體在凸尖的時(shí)候展現(xiàn)出急劇擴(kuò)張的現(xiàn)象。當(dāng)L/R=4.0時(shí)，尤其是最大沖擊壓力位于閥片與凸尖之間的某個(gè)點(diǎn)這是因?yàn)楫?dāng)噴嘴出口與閥片之間的距離滿足噴嘴出口的擴(kuò)張射流時(shí)，隨著操作壓力的提升，存在一個(gè)在閥片中心波動(dòng)的的弧形沖擊波。 圖7顯示了噴嘴出口的推力系數(shù)理論值與計(jì)算結(jié)果的比較。計(jì)算是在的范圍內(nèi)執(zhí)行的，實(shí)線顯示了推力系數(shù)隨著操作壓力比的增加而增加。因?yàn)楦鶕?jù)公式1，噴嘴出口的壓力，速度和質(zhì)量流率隨著操作壓力比的增加而增加。理論分析的結(jié)果指定了正確的擴(kuò)張流。

10、左側(cè)和右側(cè)的實(shí)線分別表示正確的擴(kuò)張和膨脹。CFD模擬結(jié)果與理論結(jié)果完全一致在。表現(xiàn)了操作壓力增加時(shí)下膨脹的增加。圖7推力系數(shù)與操作壓力比的比較 圖片8顯示當(dāng)恒定的操作壓力比給定時(shí)，閥片位置變化時(shí)閥片上力的變化。噴嘴出口和閥片之間的距離由噴嘴橫坐標(biāo)半徑以及推力系數(shù)歸一， ，在縱坐標(biāo)上表示由喉部的停滯壓力與區(qū)域歸一化后在閥片上的力。當(dāng)L/R=0時(shí)，因?yàn)殚y片插在噴嘴上面，所以沒有燃?xì)鈩?dòng)力提供給閥片。隨著L/R增加，增加迅速并顯示了最大值，然后又隨著L/R增加降低。通過檢查，在L/R=0.00.5，的范圍內(nèi)，顯示了迅猛的增長(zhǎng)，它可以被認(rèn)為的拐點(diǎn)可存在于顯示出突然的增量的范圍內(nèi)。圖8 圖9顯示了 的變化

11、，以及當(dāng)恒定的L/R給定時(shí)操作壓力比的變化，從數(shù)據(jù)中可以看出，這表明，對(duì)于相同的操作壓力隨著L/R的偏較高而較高。 結(jié)論 （1） 當(dāng)操作壓力比為1.5時(shí)，CFD模擬結(jié)果與理論分析的結(jié)果是完全一致的，并且在噴嘴出口的流動(dòng)成為欠膨脹射流的操作壓力比的增加。 （2）當(dāng)L/R從0變到一個(gè)低于0.5的較低的值時(shí)，在閥片上的推力系數(shù)急劇增加，并且隨著L/R進(jìn)一步增加而減少。 （3）3）當(dāng)操作壓力增加時(shí) 安全閥在噴嘴出口處推力系數(shù)變的更大，而在閥片處的推理系數(shù)變小。參考文獻(xiàn)【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?！?】J E A Jhon.Gas DynamicsBoston，Allyn and Bacon,1984.9496【3】A H ShapirorI11e Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid flowThe Ronald Pr