基于CFD的车载高压气动减压阀流场分析.pdf

2 0 1 0年第 3 8卷第 1 期 流体机械 2 3 文章编号 1 0 0 5 - - - - O 3 2 9 2 0 1 0 0 l 0 o 2 3 0 4 基于 C F D的车载高压气动减压阀流场分析 闻耀保 ， 沈力， 赵艳培 。 戴瑛 同济大学 ， 上海2 0 0 0 9 2 摘要 对某氢能源汽车两级高压气动减压阀进行了流场分析。首先分析了车载两级高压气动减压阀的工作过程， 采 用 C F D 计算流体动力学 方法并利用 G a m b i t 及 F l u e n t 软件研究了阀腔内部的压力场和速度场分布， 分析了两个阀口的 减压作用， 速度场分析结果表明阀内最高流速发生在阀1 3附件且偏下游的位置。 关键词 气动 ； 减压阀 ； 流场 ； C F D； 氢能源汽车 中图分类号 T H I 3 8 ． 5 2 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 0 ． O 1 ． 0 0 7 Re s e ar c h o n Fl o w Fi e l d o f Hi g h Pr e s s ur e Re du c i ng Val v e o f Hy dr og e n Ve h i c l e Ba s e d on CFD YI N Ya o b a o， S HEN L i ， ZHAO Ya n- p e i ， DAI Yi n g T o n g j i U n i v e r s i t y ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e fl o w fi e l d o f h i s h p r e s s u r e r e d u c i n g v alv e u s e d O n h y d r o g e n v e h i c l e w a s a n a l y z e d ．T h e w o r k i n g p r o c e s s o f h i s h p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e i s i n t r o d u c e d ． B y t h e C F D， Ga mb i t a n d F l u e n t a n a l y s i s ，t h e p r e s s u r e a n d v e l o c i t y f l o w fi e l d a r e o b t a i n e d ． T h e e f f e c t o f t h e v alv e p o rt s a r e a n aly z e d ． Th e ma x i mu m v e l o c i t y o f v a l v e a p p e a rs a t s o me w h e r e of d o w n s t r e a m o f t h e v a l v e p o r t ． Ke y wo r d sp n e u ma t i c s ；p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e；fl o w fi e l d；CF D；h y d r o g e n v e h i c l e 1 前言 氢能源汽车常采用 高压气体储氢 方式 ， 通过 气态氢和空气 中的氧气发生反应生成水 ， 实现无 污染零排放 ， 同时利用化学反应产生 的电能推动 汽车行驶。为保证一次加氢后汽车的连续行驶距 离达到 3 0 0 k in 以上 ， 车载输氢系统的气瓶压力要 求达到 3 5 M P a以上 - 2 j 。氢能源汽车中质子交换 膜燃料 电池要求所 提供 氢气 的正常工 作压力 为 0． 1 6MP a。 文献[ 2 ] 中提出了利用两级减压方式 ， 实现车 载输氢系统 的压力控制。本文在此基础上 ， 研究 两级减压过程中， 阀腔内的流场及其分布 。 2 车载两级高压气动减压 阀 图 1 所示为某氢能源汽车上使用 的两级高压 气动减压阀输氢系统原理。 细长节 细长节 入口 ～级减 压阀 流孑 L 1 二级减压阀 流孑 L 2 出n 图 1 车载两级气动减压阀输氢系统原理示意 该氢能源汽车所采用的两级 高压气动减压阀 组由阀座 、 一级减压阀 、 二级减压 阀、 细长 节流孔 1 、 细长节流孔 2等部分组成 ， 其 中一级减压阀和 二级减压阀均 为直动式锥形减压 阀， 并通过插装 连接方式安装在阀座上。工作时， 高压气体由气 源经人口进入减压 阀， 经过一级减压 阀和细长节 流孔 1完成输氢 系统 的第一次减压 ， 这时高压气 体压力 由3 5 MP a减到 5 M P a ； 再经过二级减压阀和 细长节流孔 2完成输氢系统第二次减压 ， 这时 ， 压 收稿 日期 2 0 o 9 0 4 们 基 金项 目 国家“ 8 6 3 ” 高科技计划 2 0 0 7 A A 0 5 Z 1 1 9 ； 国家 自然科学基金项 目 5 0 7 7 5 1 6 1 F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ．1， 2 01 0 力由 5 M P a 减压到 0 ． 1 6 M P a 。通过节流输送到质 子交换膜燃料 电池。在工作过程 中， 阀座上 的两 个容腔起到气容的作用 ， 调节输氢系统 的动态性 能。 3 计算模型 3 ． 1 G a m b i t 建模和网格划分 为研究建模方便， 取车载两级高压气动减压 阀对称结构一半作为研究对象， 利用 F l u e n t 前处 理软件 G a m b i t 进 行二维建模 。图 2所示为本文 的仿真模型。图 2 a 所示为两级高压气动减压 阀内部空间流动流体的平面示意图 ， 其中一级减 压 阀阀口开 口量为 0 ． 0 1 3 m m， 二级减压阀阀口开 口量 为 0 ． 0 3 mm， 两个 细长 节 流孔孔 径均 为 0 ． 3 m m。如图 2 b 所示为网格划分图， 由于节流 口 尺寸小 ， 压力梯度大， 为保证精度， 在阀 口和细长 节流孔处都进行了网格局部加密。 a 平 面示意 b 网格划分不意 图2 仿真模型 3 ． 2 边界条件和求解模型 考虑到气体的高速性且可压缩流动 ， 设定入 口边界条件和出口边界条件分别为压力进 口形式 和压力出口形式 ， 采用非耦合的 s e g r e g a t e d求解模 型 ， 并考虑粘性加热耗散项和激活能量方程； 湍流 模型采 用 单 方 程 模 型。计 算 条 件 为进 口压 力 3 5 M P a ， 温 度 3 0 0 K，出 口压 力 0 ．1 6 M P a ， 温 度 1 5 0K。 3 ． 3 基 本 方程 通过划分网格 ， 将流场划分成许多个控制体 ， 对每个控制体， 有以下基本方程。 1 质量守恒方程 0 。 1 d f a 。 ‘ 、 式中p 流体密度 “ 方向速度 t 时 间 2 动量方程 毒 一 望OX i 0 “1“0 P g 2 式中 方向速度分量 静压 r 应力张量 g i 一重力体积力 外部体积力 3 能量方程 [ U i p E p ] 去 一 T ij S 3 其中 E h P ／ p ／ 2 式 中 有效导热系数 湍流导热系数根据 湍流模型来定义 ， k k k ． ， ， 组分 的扩散通量 |s 包括化学反应热和其它体积热源的 源项 焓 ，组分 的焓 方程右边前三项分别为导热项 、 组分扩散项 和粘性耗散项。 4 单方程 S p M a aA l l m a r a s d d 考虑湍流 ， 采用 S p a l a r t A l l m a r a s的模型 ， 其 求解变量 ， 运输方程为 一dv 1 [0 1P d t ／1, P 警 } 一 ； d L 十 c ]_ 十G 4 式中G 湍流粘性产生项 y f J 由于壁面阻挡与粘性阻尼引起 的湍 流粘性 的减少 、C 常数 分子运动粘性系数 4 计算结果及分析 2 0 1 0年第 3 8卷第 1 期 流体机械 利用 F l u e n t 软件残差图稳定且人 口和出 口的 流量偏差在 0 ． 5 ％以内， 可判断为计算 收敛 ， 然后 输出计算结果。 4 ． 1 医 丸分本 图 3所示为流场压力分布 ， 从 图中可 以明显 看出阀腔内以阀口为分界点将流场分成三个压力 区， 其 中中问腔压力 区的压力大约 5 MP a 。这与设 计时的理论计算减压效果基本吻合。同时， 减压 过程主要在集 中在两 口实现 ， 两个孔径为 0 ． 3 m m 的细长节流孔起动态压力平衡作用。 ～一 1 II『， l l l { l -t n 一 卜 l 图 3 压力分布 图 M P a 图 4为一级减压阀阀 口和二级减压 阀阀 口附 近的局部压力分布等值曲线 。 a 一级减压阀 MP a b 二级减压阀 MP a 图4 减压阀阀口附近压力分布等值曲线 由图 4 a 可见 ， 一级减压阀阀 口入 口压力为 3 5 MP a ， 一级减压阀上游大约 0 ． 0 6 m m 处压力 为 3 4 ． 5 M P a ， 经过阀口节流后， 压力下降， 到减压阀 下游大约 0 ． 0 2 6 m m处时 ， 压力达到 4 ． 6 2 MP a ， 基 本接近控制压力 5 M P a ， 完成第一级的减压。同 样， 图 4 b 表 明二 级 减压 阀 阀 口上 游 大约 0 ． 1 2 m m处压力由 5 MP a开始明显下降， 在其下游约 0 ． 0 4 5 m m处 以后 ， 压力基本 稳定在 0 ． 1 6 MP a ， 完 成第二级减压。 4 ． 2 速度分布图 图 5 a 、 b 为一级减压 阀阀 口处和二级减 压阀阀口处的气流速度矢量。图5 表明气流在到 达阀口处时急剧加速 ， 流束顺 着锥 阀阀壁进人阀 腔后 ， 并没有受到其他壁面约束 ， 流束逐渐扩散 ， 由于压力降低 ， 气体迅速膨胀 ， 流束出了阀 口后继 续加速一段距离才逐渐降低。 _ __ ≥∥ ， 一 ． 。 。 1 a 一级减压阀 I _ 。 ／ 图 6 流速分布 图 m ／ s 图 7 a 、 b 为一级减压阀阀 口附近和二级 减压阀阀 口附近的局部速度分布曲线。定义马赫 数为 V ／ c 。其 中， 表示流速 ， c 表示介质 本身的声速。这里取氢气在 2 7 3 K时的声速为 C 1 2 8 0 m ／ s 。由图 7 a 可见 ， 一级 减压 阀阀口上 游大约 0 ． 0 8 ra m处时 ， 马赫数就达到 1 ， 即音速流 动状态 ， 其后进入超音速流动状态。阀 口上游大 F L U I D MAC HI NE R Y V o 1 ． 3 8， N o ． 1 ， 2 0 1 0 约0 ． 0 3 ra m处时， 马赫数达到 3 。最大马赫数出现 在阀口至其下游 0 ． 0 6 5 m m处， 此时马赫数为5 。 由于惯性作用， 使通过阀口的气流在下游形成一 个小于阀口孔径 的收缩截面； 同时由于出阀 口后 气体的急剧膨胀 ， 所以气体的最高速度并非出现 在 阀口处 ， 而是出现在阀口下游大约 0 ． 0 3 m m处， 流速达到5 9 0 0 m ／ s 以上。气体流出阀口后， 由于 压力的急剧降低， 气体迅速膨胀， 所以下游的超音 速流动区比上游大得多。 a 一级减压阀 m ／ s b 二级减压阀 r n ／ s 图 7 减压阀阀口附近速度分布等值曲线 由图 7 b 可见 ， 二级减压 阀阀口处 的超音速 流动区域 比一级 减压 阀阀 口处小 ， 其上 游约 0 ． 0 5 mm位置， 流速达到音速流动状态 。最高 马赫 数出现在 阀口及其下游约 0 ． 2 4 m m处 ， 马赫数 到 达 2 。流体在二级减压阀阀口的最高流速出现在 下游 0 ． 1 2 m m处 ， 流速达到 2 6 0 0 m ／ s以上。 5结论 1 氢能源汽车车载输氢系统采用二级减压 方案 ， 流场分布稳定 ， 可以达到减压的基本要求 ； 2 压力场分析表 明减压过程主要在集 中在 两 口阀 口处实现 ， 速度场分析结果表 明阀内最高 流速发生在阀 口偏下游的某处 。 参考文献 [ 1 ] 陈鹰， 许宏， 陶国良， 等． 压缩空气动力汽车的研究 与发展[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 2 ， 3 8 1 1 7 - 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