摘要

在CFD分析中如何對閥的開閉過程進行建模？本文基于Simcenter STAR-CCM+軟件介紹一種使用多孔介質模型對彈簧安全閥進行建模的方法。該介質的阻力系數隨閥門上游壓力的變化而變化，以模擬彈簧安全閥的可變開度。

內容

泄壓閥是一種非常常見 的裝置，存在于各種流體系統中，其目的是通過允許部分流體排放到外部環境中來防止此類系統的過度增壓。

一些泄壓閥是專為一次性使用而設計的，即當達到臨界壓力時，其中一個部件（即爆破片）會破裂，從而導致流體泄漏，如果發生這種情況，則需要更換。

大多數情況下，它們是彈簧加載閥，以可控的方式將流體排出系統：閥噴嘴在克服彈簧壓力的預定壓力下開始打開，并隨著系統壓力的增加而逐漸打開，反之亦然。

在Simcenter STAR-CCM+中，可以使用DFBI模型對代表閥門的質量彈簧阻尼器系統進行建模，但由于這涉及網格運動，計算量會變得比較大（時間步長和網格運動穩定性考慮），特別是當模擬不主要關注閥門開閉的過程而是關注閥門打開后流體的擴散時，運用動網格技術來實際模擬閥門的運動就不太容易工程化。

在這篇文章中，提出了一種更簡單的方法，使用多孔介質模型來近似閥門的行為。其想法是將閥門建模為伯努利方程中的局部壓降，并具有相關的損失系數（Kloss）。在三維CFD模擬中，閥門簡化為一個簡單的圓柱體，其半徑定義為實際閥門噴嘴截面面積與圓柱體的面積相匹配，長度為L。

所需的輸入數據（最低要求）為：

-閥門噴嘴/擋板的流通面積

-作為系統壓力函數的閥門流量特性曲線（見下圖中的示例）

流體介質需要是已知的，在本例中被認為是理想氣體（空氣）。

該系統被描述為帶有噴嘴的儲液器，并考慮了3種流體狀態：

-儲液器 用“res”表示

-噴嘴入口 用“0”表示

-噴嘴出口 用“1”表示

一些狀態變量是已知的：

-儲液器中的壓力和溫度（根據曲線）

-噴嘴出口處的環境壓力（假設氣流始終保持亞音速）

-通過系統的流量（來自曲線）

通過施加質量、動量和能量守恒，并為未知流體狀態變量提供初始猜測，以用來損失系數Kloss的求解。這可以很容易通過Excel實現，并使用解算器插件迭代求解。

下面的圖片顯示了對所涉及的方程組的簡要描述。

一旦我們解決了損失系數Kloss的問題，我們最終得到了閥門引起的壓降的表達式。

通過將表達式（1）與Simcenter STAR-CCM+中多孔介質中的壓降（2）聯立求解，我們可以導出模擬中使用的多孔系數的值；為了簡單起見，我們可以將多孔粘性系數Pv設置為零，并僅使用多孔慣性系數Pi來對閥門行為進行建模。

對特性曲線上足夠數量的閥門開度點重復之前方程組的求解（即確定流量和系統壓力并求解損失系數Kloss），可以獲得作為高于環境條件的系統相對壓力函數的Pi曲線。對于低于閥門啟動壓力（零流量）的任何點，需要非常高的Pi值來阻斷流量。將Pi值保存在.csv表中，并將其導入模擬中。如下圖所示：

創建一個新的“表面平均值”或“質量流量平均值”報告來評估閥門上游部分的壓力，然后在新的標量場函數中使用該報告來插值模擬中每次應用于多孔介質的正確Pi值。

對應此方法的示例模型可從以下鏈接中獲取。此案例中，兩個電芯的排氣口分別兩次排氣增加了封閉區域中的壓力，當多孔介質系統中達到一定壓力時，該區域通流，部分氣體被釋放到外部環境。

下面是此案例的計算結果的動畫：

總結

文章中介紹了一種替代的、可能更準確的方法，用于在不使用DFBI和動網格運動建模的情況下對安全閥進行模擬分析。對于相似問題的分析，尤其是電池安全閥排氣的CFD分析可以進行參考借鑒。

文章來源STAR-CCM-Online