Рассматриваются газодинамические процессы в предохранительном клапане пружинного типа при наличии дополнительной газодинамической связи между объемом клапана и окружающей средой. Открытие клапана при выпуске газа из резервуара в окружающую среду сопровождается наполнением рабочего объема. В результате, повышение давления над поверхностью диска создает обратное усилие, препятствующее его подъему, которое может привести к неустойчивому колебательному режиму движения диска. Уменьшение этого давления позволит обеспечить устойчивую работу клапана. Дополнительная газодинамическая связь вводится для стравливания давления над поверхностью диска путем вывода газа в дополнительную полость через узкие каналы в виде цилиндрических или коаксиальных зазоров.В данной работе оценивается правомерность расчета течений вязкого газа в узких зазорах на основе одномерных уравнений газовой динамики, использование которых при численном моделировании нестационарного процесса работы клапана не увеличит существенно объем вычислений. Для доказательства возможности использования одномерного подхода приводится сравнение распределений скорости и давления газа по длине канала, полученные в результате решения задачи в двумерной и одномерной постановках.На основе алгоритма с предварительным расчетом характеристик вязкого течения в соединительных каналах, получена зависимость приведенной силы клапана от высоты подъема диска при использовании двух цилиндрических узких каналов для уменьшения давления на верхнюю поверхность диска. Показано, что в этом случае обеспечивается устойчивый режим функционирования клапана, в то время как отсутствие сброса газа может привести к неустойчивому колебательному режиму движения диска.
When designing pressure regulators, one needs to have a complete understanding of gasdynamic processes. The numerical algorithm for three-dimensional gas-dynamic modeling of a full cycle of spring safety valve operation is proposed, which allows one to significantly reduce the computing time. Grid reconfiguration during CFD modeling is provided by interpolation procedure using previously calculated grids. Calculations show that gas-dynamic numerical simulation should account for a three-dimensional structure of the unsteady flow and the motion of the disc. These factors are taken into account when calculating full cycle of the valve on a coarse grid with the use of correction functions for the force and flow characteristics of the valve. The correction functions are calculated by the false transient method in the three-dimensional formulation. Cyclograms of the valve operation demonstrate satisfactory agreement of the experimental and numerical simulation results. The agreement in the variation of gas-dynamic forces with time is observed, except for the transitional regime before the valve starts to close. In the main work area, the calculated values of the reduced force belong to a confidence interval.
Предохранительный клапан является одним из устройств, используемых для обеспечения безопасности трубопроводов и целостности установок. Для анализа устойчивости работы клапанов и расчета колебательных процессов требуется динамическая модель, параметрическая идентификация которой проведена с применением экспериментальных данных и результатов многомерного численного моделирования. Задача идентификации динамической модели клапана включает определение зависимости газодинамической силы от движения диска и рабочих характеристик (давление, температура) емкости, в которой осуществляется регулирование давления. Сформулирована задача идентификации динамической модели предохранительного клапана. Зависимость газодинамической силы от времени и подъема диска находится как управляющая функция в задаче оптимального управления по двум критериям: минимум отклонения расчетных значений от экспериментальных для давления и перемещения диска. Численный метод оптимального управления основан на редукции к задаче нелинейного программирования. Для решения поставленной задачи поликритериальной оптимизации применяется гибридный генетический алгоритм с вещественным кодированием. Решение задачи идентификации динамической модели предохранительного клапана проведено с использованием трех вариантов проведения экспериментов с клапаном 2J3. Сопоставление отличия рассчитанной силы от измеренной показало возможность определять величину газодинамической силы по результатам измерения давления и подъема диска на всех этапах работы клапана.
Рассмотрена модель газодинамических процессов в предохранительном клапане прямого действия, предназначенном для обеспечения безопасности трубопроводов и аппаратов высокого давления. Моделирование осуществлялось на основе метода контрольного объема и разностной схемы С. К. Годунова в трехмерной постановке. Внутреннее пространство клапана разделено на два блока, в каждом из которых строится структурированная разностная сетка. В первом блоке сетка является ортогональной. Параметры газа на границах контрольных объемов определяются на основе автомодельного решения задачи о распаде произвольного разрыва. Формирование газодинамических переменных для решения задачи о распаде произвольного разрыва с последующим восстановлением составляющих вектора скорости проводилось с применением преобразований векторов в локальной системе координат на каждой грани контрольного объема. Реализованный численный метод расчета нестационарной трехмерной газодинамики позволяет определять пространственную структуру потока в предохранительном клапане и его количественные характеристики (давление, плотность, скорость, температуру). Анализ результатов расчетов показал, что течение до нижней части диска близко к осесимметричному. Сравнение с результатами расчетов в осесимметричной и трехмерной постановках свидетельствует о том, что интегральная характеристика (газодинамическая сила) может рассчитываться для рассмотренных условий в осесимметричной постановке при соответствующем выборе эквивалентной конфигурации внутреннего контура клапана.
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
hi@scite.ai
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.