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(dòng)機(jī)是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，是指進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)技術(shù)，各國(guó)在此領(lǐng)域都在研究，其中俄羅斯和美國(guó)走在前列，已經(jīng)有
　　
　　高超沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的一種，是指進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)技術(shù)，各國(guó)在此領(lǐng)域都在研究，其中俄羅斯和美國(guó)走在前列，已經(jīng)有初步成型的產(chǎn)品問世。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主要由燃燒室、進(jìn)氣道、尾噴管組成。其工作原理為發(fā)動(dòng)機(jī)的迎面來流（空氣流）首先進(jìn)入進(jìn)氣道，進(jìn)氣道將來流的部分速度能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽瓿蓧嚎s過程。滯止到一定速度的氣流進(jìn)入燃燒室，與噴入的燃料迅速混合，在等壓條件下進(jìn)行燃燒。燃燒后的高壓、高溫燃?xì)猓?jīng)收斂-擴(kuò)張噴管加速后噴出，產(chǎn)生推力。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)和空天飛機(jī)。
　　
　　為準(zhǔn)確控制流入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流速度與壓力，并調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒室的燃料的流量，使其準(zhǔn)確的按照需要分配釋放熱量，因此設(shè)計(jì)的大流量燃油流量調(diào)節(jié)閥，在沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中起著關(guān)鍵的作用。
　　
　　基于拉瓦爾管形高溫閥口設(shè)計(jì)是指將拉瓦爾管特性用于閥口設(shè)計(jì)中，從而達(dá)到準(zhǔn)確控制流經(jīng)閥口氣體的目的。此閥的設(shè)計(jì)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(jìn)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(dòng)，由驅(qū)動(dòng)活塞提供動(dòng)力，可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)速度快的目的。
　　
　　1結(jié)構(gòu)及工作原理
　　
　　閥芯采用錐閥形式，由驅(qū)動(dòng)活塞推動(dòng)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(jìn)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(dòng)的驅(qū)動(dòng)活塞來控制。
　　
　　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(jìn)行管路連接，活塞桿2與主閥閥芯采用法蘭連接，同時(shí)活塞缸要與主閥固定在一起。
　　
　　電液伺服閥控制驅(qū)動(dòng)活塞桿左右移動(dòng)，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(jì)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(shí)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(jì)
　　
　　拉瓦爾噴管是一個(gè)先收縮后擴(kuò)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(jìn)口總壓與出口反壓比值不同時(shí)，管內(nèi)氣體呈現(xiàn)不同的流動(dòng)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(dòng)特性是：同樣溫度，進(jìn)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(dòng)特性利于高溫下對(duì)于氣體流量的控制，因?yàn)橐欢ǚ秶鷥?nèi)不受前后壓差變化的影響，易于實(shí)現(xiàn)流量穩(wěn)定。拉瓦爾管正常工作時(shí)，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(yùn)算起來比較簡(jiǎn)便。因此，一般都用計(jì)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(jìn)口氣體總壓（Pa）
　　
　　T0*——進(jìn)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(jìn)口氣體的總壓和總溫以及zui小橫截面積。
　　
　　其中P0*為進(jìn)口總壓，為10MPa。按進(jìn)口壓力P0*=10MPa，出口壓力Pe=1MPa進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。
　　
　　（2）
　　
　　（3）
　　
　　λ——氣體速度系數(shù)
　　
　　進(jìn)一步查表確定λ=1.75，q（λ）=0.4961
　　
　　（4）
　　
　　q（λ）——氣體相對(duì)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(jì)簡(jiǎn)圖
　　
　　3基于FLUENT的閥口流場(chǎng)仿真
　　
　　運(yùn)用FUENT軟件進(jìn)行閥口處的流場(chǎng)進(jìn)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(jì)算域和邊界條件類型；
　　
　　由于閥口形狀為*對(duì)稱，故在仿真過程中為簡(jiǎn)化計(jì)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(jì)算過程中對(duì)流體及邊界條件做如下：
　　
　　1、流體為*氣態(tài)，可壓縮氣體，實(shí)驗(yàn)時(shí)可采用氮?dú)饽M，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(shí)閥入口溫度采用實(shí)驗(yàn)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Γ鞒龇抡娼Y(jié)果。
　　
　　4流場(chǎng)仿真結(jié)果
　　
　　根據(jù)拉瓦爾管建模思想，采用FLUENT軟件，對(duì)設(shè)計(jì)主閥閥口處進(jìn)行仿真。入口為10MPa，出口為SMpa，閥口位移為8.Omm時(shí)的仿真結(jié)果表明，燃料氣體在閥口zui小截面處達(dá)到聲速，之后氣體繼續(xù)加速變?yōu)槌曀佟D9、圖10可以看出，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，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(jī)制。
　　
　　閥口入口壓力不變時(shí)（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(shí)，改變不同的入口壓力值，得到流量結(jié)果如圖11所示。
　　
　　仿真結(jié)果表時(shí)：閥口形狀固定后，出口壓力小于一定值（7MPa）時(shí)，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(shí)，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(duì)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(jì)方案后，當(dāng)閥口開度不變時(shí)，前后壓強(qiáng)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(dá)到聲速，進(jìn)入閥口后進(jìn)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)。