航天阀门流量特性数值模拟与实验研究
摘要：航天阀门作为载人航天器内环控生保分系统的关键单机，其流量特性影响到系统运行的稳定性与可靠性，针对两种不同类型的航天阀门对其流量特性进行数值模拟与实验数据对比，结果表明数值模拟结果与实验数据误差在3%以内，证明了数值模拟在航天阀门产品上应用的可行性以及仿真结果的准确性。关键词：航天阀门；流量特性；数值模拟；实验研究
一、引言
航天阀门作为载人航天器内环控生保分系统中的关键单机，流量特性影响着环控生保分系统的功耗及系统稳定性，因此需要对设计的航天阀门开展流量特性数值模拟与实验研究。
通过数值模拟与实验研究，可判断阀门产品与设计指标的符合程度，为产品研制阶段对阀门产品设计优化提供有效数据。
二、试验原理
流量系数为阀门流量测试的关键参数，表示流体流经阀门产生单位压力损失时流体的流量，数值越大说明流体经过阀门时的压力损失越小，计算公式如下：https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCelRiaawbuRXdNiadbwGzHT0oTlcQyksTLy8n4DzxZZu94ib4SOz0qFkyvHf1zm3Siac398Bx0q2llULsw/640?wx_fmt=png其中：C为流量系数；Q为体积流量，m3/h；ρ为液体密度，kg/m3；ΔP为压力损失，kPa。
阀门流阻系数为阀门流阻测试的一个关键参数，表示流体通过阀门后的压力损失，流阻系数可以衡量流体通过阀门后主要功率消耗，计算公式如下：https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCelRiaawbuRXdNiadbwGzHT0oTlL2V2lHvJBQQEAOKrWvAh9amTFibCJ1VMsKWTiczgkuQKbR6HyDhmHqw/640?wx_fmt=png
其中：K为阀门的流阻系数；ΔP为被测阀门的压力损失，kPa；ρ为液体密度，kg/m3；u为流体在管道内的平均流速，m/s，具体计算如下式所示。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCelRiaawbuRXdNiadbwGzHT0oTpZAN8YTYfyZnzcRiaVAVGOMeQiawEwSrMbv5icRGibQ5X3QDM4XCRdBKng/640?wx_fmt=png
其中：Q为体积流量，m3/s；A为管路通径，m2。
基于上述（1）~（3）式可知，通过测取阀门的压力损失ΔP、管道流量Q，获得阀门在稳态稳流时的流量流阻系数，为航天阀门的设计与优化提供更为准确的数据支持。
三、数值模拟
选取两种不同结构的航天阀门进行流量特性数值模拟，阀门结构形式如图1所示。
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCelRiaawbuRXdNiadbwGzHT0oTsaC1fcicmiaMy4YklMtFuBuSUj8IFl5YekzTXVr0x6DTkdjGrTwQtsFA/640?wx_fmt=png图1 阀门结构示意图对上述两种阀门开展仿真计算，通过设置阀门入口处不同流量获得阀门相应流阻。采用ANSYS中的FLUENT软件，将流体计算模型设置为k-ε模型，并设 置相应边界条件与初始条件，可获得不同流量下稳态时阀门的流阻。将与仿真参数相同条件下实验测试结果与仿真结果进行对比，得到不同结构阀门下的试验数据与 仿真数据，相应曲线分别如图2a）、2b）所示。
为分析仿真结果的准确性，引入误差分析公式，误差计算公式如下：
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCelRiaawbuRXdNiadbwGzHT0oT3V36JeicbZxM35BsYsoYDvmiazPxhibj7M5yAbJ8fCibhTgu1hG20LzhPg/640?wx_fmt=png
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/55muld1MCelRiaawbuRXdNiadbwGzHT0oTxfzEHsDNgALYtgFvA4xL6gMgfgUph4sXy9sFdVcoSyBiaRWQZzU3JWQ/640?wx_fmt=png图2 两种阀门结构下流阻随流量的实验与数值模拟对比曲线
四、结论
通过图2曲线对比分析可知：1、实验结果与数值模拟结果吻合，并略小于数值模拟结果。基于上述仿真数据与试验数据的对比，采用公式（4）计算其误差分别为：2.3%，2.5%，误差在3%以内。
2、流阻与阀门结构有很大关系，阀门流道结构、孔径等均可能影响其流阻特性。
3、两种阀门的流阻与流量关系曲线可知，阀门流阻随着流量的增大而上升，流量也是影响其流阻关系的一个重要因素。
参 考 文 献1 陆培文．实用阀门设计手册．北京：机械工业出版社，2012．
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