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高溫燃料流量調(diào)節(jié)閥拉瓦爾管閥口特性分析

高超沖壓發(fā)動機是沖壓發(fā)動機的一種，是指進入發(fā)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(shù)為核心的發(fā)動機技術(shù)，各國在此領(lǐng)域都在研究，其中俄羅斯和美國走在前列，已經(jīng)有
        高超沖壓發(fā)動機是沖壓發(fā)動機的一種，是指進入發(fā)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(shù)為核心的發(fā)動機技術(shù)，各國在此領(lǐng)域都在研究，其中俄羅斯和美國走在前列，已經(jīng)有初步成型的產(chǎn)品問世。沖壓發(fā)動機主要由燃燒室、進氣道、尾噴管組成。其工作原理為發(fā)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(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，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(jīng)收斂-擴張噴管加速后噴出，產(chǎn)生推力。沖壓發(fā)動機一般應(yīng)用于飛行馬赫數(shù)高于6的飛行器，如高超聲速巡航導(dǎo)彈，高超聲速飛機和空天飛機。 
        為準確控制流入發(fā)動機的氣流速度與壓力，并調(diào)節(jié)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(shè)計的大流量燃油流量調(diào)節(jié)閥，在沖壓發(fā)動機中起著關(guān)鍵的作用。
        基于拉瓦爾管形高溫閥口設(shè)計是指將拉瓦爾管特性用于閥口設(shè)計中，從而達到準確控制流經(jīng)閥口氣體的目的。此閥的設(shè)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(jié)構(gòu)，控制氣體流量。
        （2）閥芯采用液動，由驅(qū)動活塞提供動力，可以實現(xiàn)響應(yīng)速度快的目的。
        1 結(jié)構(gòu)及工作原理
        主閥結(jié)構(gòu)的簡單示意圖可如圖1所示：

圖1 高溫流量調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)圖

        閥芯采用錐閥形式，由驅(qū)動活塞推動錐形閥芯控制閥口開度，在回路中，燃料流體經(jīng)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(qū)動的驅(qū)動活塞來控制。
        其工作原理如圖2所示。

圖2 流量調(diào)節(jié)閥工作原理圖

        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(qū)動活塞桿左右移動，從而控制主閥閥芯位移大小，調(diào)節(jié)燃料通過主閥閥口的流量。閥口的設(shè)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(xiàn)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(shù)學(xué)模型及設(shè)計
        拉瓦爾管結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 拉瓦爾管結(jié)構(gòu)及速度云圖

        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(shù)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(nèi)氣體呈現(xiàn)不同的流動狀態(tài)。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(shù)相適應(yīng)。
        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(guān)。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(nèi)不受前后壓差變化的影響，易于實現(xiàn)流量穩(wěn)定。拉瓦爾管正常工作時，zui小截面處氣流馬赫數(shù)為1的臨界狀態(tài)，氣流參數(shù)是臨界參數(shù)，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(jù)此，拉瓦爾管的氣體流量公式可寫為：
        （1）
        Km——熱流系數(shù)
        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(shù)為1的臨界狀態(tài)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(shè)計。
        （2）
        （3）
        λ——氣體速度系數(shù)
        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(jù)喉部面積比，及加工工藝綜合考慮，確定如圖4所示閥口結(jié)構(gòu)。

圖4 閥口設(shè)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(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 閥口分析網(wǎng)絡(luò)

        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(tài)，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?nèi)肟趬毫统隹趬毫?，作出仿真結(jié)果。
        4 流場仿真結(jié)果
        根據(jù)拉瓦爾管建模思想，采用FLUENT軟件，對設(shè)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(jié)果如圖6、圖7、圖8、圖9所示。

圖6 速度場分布特性（閥芯位移x=8.0mm）

圖7 壓力分布特性（閥芯位移x=8.0mm）

圖8 閥入口流量（閥芯位移x=8.0mm）

圖9 閥出口流量（閥芯位移x=8.0mm）

        圖6、圖7仿真結(jié)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(xù)加速變?yōu)槌曀?。圖9、圖10可以看出，達到穩(wěn)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(diào)節(jié)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(jié)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(dāng)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(jié)果如圖11所示。

圖10 閥口流量與出口壓力關(guān)系（10MPa）

圖11 閥口流量與入口壓力關(guān)系（1MPa）

        仿真結(jié)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(guān)，只取決于入口壓力（10MPa）。即時，流量只與入口總壓（10MPa）有關(guān)，且近似為線性關(guān)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(jié)果，以此不再論述。
        5 結(jié)論
        對比仿真結(jié)果與數(shù)學(xué)模型可以得出以下結(jié)論：
        1）高溫閥的閥口采用拉瓦爾管形狀設(shè)計方案后，當(dāng)閥口開度不變時，前后壓強在一定的比值范圍內(nèi)，流經(jīng)閥口前后的氣體流速基本保持不變，與理論分析的結(jié)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(jié)果與拉瓦爾管的數(shù)學(xué)特性相適應(yīng)。