大工宋学官教授：基于流固耦合的安全阀建模方法与仿真

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导读：阀门是核电、石化、长输、煤化工等流程工业系统的关键基础件，有系统“咽喉”之称。据统计，过去五十年间，全世界流程工业领域30%重大恶性事故和60%工业污染物泄漏与工业阀门故障有关（如美国三哩岛核电事故、印度博帕尔毒气泄漏事故、英国北海石油平台大爆炸事故等）。API、ASME以及我国的国家标准高度重视安全阀的可靠性问题，并分别制定了相关的设计、制造、安装标准，这使得现代工业对阀门的工作性能提出了更高的要求。

一、认识弹簧式安全阀

弹簧式安全阀是一种典型的工业阀门，由于其结构简单、灵敏度高、动作迅速以及使用寿命长等优点而被广泛的应用于核电领域。弹簧式安全阀依靠弹簧力将阀芯压紧在阀座上，使安全阀处于关闭状态，阀芯的下面受流体介质向上顶起的力。正常运行时，弹簧向下的压紧力大于流体介质向上的推力，阀门处于关闭状态。当流体介质所提供的压力达到安全阀起跳压力时，蒸汽对阀芯的作用力大于弹簧的作用力，使阀芯顶起，安全阀释放流体介质，然后随着流体介质的排放，压力系统的压力水平逐渐降低，阀芯逐渐回座。

在弹簧式安全阀的工作过程中，由于作用于阀芯的流体力的高度非线性，使得受流体力与弹簧力相互作用的阀芯产生不规则运动的现象，如阀芯的颤振和频跳。此外，当阀门内的流动介质为液体时，由于喷嘴到阀芯与阀座之间形成的区域通流面积急剧收缩，使得流体速度突然增大，局部压力迅速降低，当降低至液体的饱和蒸汽压以下，就会产生空化现象，从而产生汽蚀作用。

上述颤振、频跳以及空化现象对安全阀的使用产生巨大的影响，造成弹簧疲劳、阀芯受损、密封面破坏以及泄漏等严重后果，甚至引发重大的安全事故。因此，研究安全阀的动态特性和空化现象，揭示动态不稳定性机理，预测空化发生位置和空化尺度，制定相关行业标准，消除由上述现象带来的安全隐患，成为安全阀领域的研究重点以及难点。

二、安全阀领域研究重点

从1970年至今针对弹簧式安全阀的动态特性和空化现象的研究主要分为实验法、解析法以及数值模拟法三种。实验法具有结果可信度高的优点，但耗时耗力、成本高、周期长；解析法由于计算效率较高，在研究前期被广泛采用，但引入了太多的假设和简化，而使得精度变低，只适用于做定性的分析和指导；随着计算机性能的高速发展，数值模拟法因为经济高效，并且可获得更多的流动细节，已经成为研究安全阀的主流方法。

基于1970年-2023年的文献研究分析，当前应用数值法对安全阀的研究主要面临四个挑战：

① 由于安全阀的动态过程具有大开度、高速运动以及流-固多物理场强耦合的特点，目前缺乏面向阀门动态过程的高保真CFD仿真模型；
② 由于阀门的开启关闭历程、压力、流量与前端压力容器与管路息息相关，目前缺乏考虑压力容器、管道的系统级建模方法；
③ 由于阀门的关闭到开启的过程是关闭时的非连续域到开启时单一的连续域的转换过程，而当前基于动网格的计算模拟均预留了微小缝隙来接近全关闭的状态，目前缺乏开启-关闭完整过程的动态仿真模型；
④ 现有的关于阀门内空化位置和空化尺度预测的研究中多是应用商业软件自带的空化模型，目前缺乏面向阀门开发的CFD空化模型。

针对以上四个挑战，课题组经过多年产学研攻关，分别提出了相应的解决措施：

① 结合阀盘动力学模型以及动网格的阀门流-固多物理场耦合建模技术

② 考虑压力容器-管道-阀门的变维度变保真的系统级建模技术

③联合多平台的阀门全关闭动态仿真技术

④ 高保真阀门CFD空化预测技术

三、工业品安全阀公开课

为帮助大家对核电和石油等工业阀门的认识，2月11日19时30分笔者受邀在仿真秀官网和App同步免费直播《基于流固耦合的安全阀动态特性分析》，向用户介绍流固耦合以及动网格建模仿真方法和技能、MOC-CFD的系统级联合建模仿真、阀门瞬间全关闭的建模仿真过程和工业阀门的多学科优化设计方法。另外，报名直播的用户还可以参与在线互动答疑，并且提供反复回看。

以下是我的直播安排：

大连理工大学宋学官教授：基于流固耦合的安全阀动态特性分析-仿真秀直播