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技术文章
高温燃料流量调节阀拉瓦尔管阀口特性分析
高超冲压发动机是冲压发动机的一种，是指进入发动机燃烧室的速度为超声速，且燃料在超声速特征下燃烧。它是一种新型的，以高温冲压技术为核心的发动机技术，各国在此领域都在研究，其中俄罗斯和美国走在前列，已经有初步成型的产品问世。冲压发动机主要由燃烧室、进气道、尾喷管组成。其工作原理为发动机的迎面来流（空气流）首入进气道，进气道将来流的部分速度能转变为压力能，完成压缩过程。滞止到一定速度的气流进入燃烧室，与喷入的燃料迅速混合，在等压条件下进行燃烧。燃烧后的高压、高温燃气，经收敛-扩张喷管加速后喷出，产生推力。冲压发动机一般应用于飞行马赫数高于6的飞行器，如高超声速巡航导弹，高超声速飞机和空天飞机。
为准确控制流入发动机的气流速度与压力，并调节进入燃烧室的燃料的流量，使其准确的按照需要分配释放热量，因此设计的大流量燃油流量调节阀，在冲压发动机中起着关键的作用。
基于拉瓦尔管形高温阀口设计是指将拉瓦尔管特性用于阀口设计中，从而达到准确控制流经阀口气体的目的。此阀的设计方案如下：
（1）阀芯采用锥阀，为利用拉瓦尔管特性，气体从锥阀底部进入，沿锥阀尖部流出，此控制方法目的是在阀口处形成拉瓦尔管状结构，控制气体流量。
（2）阀芯采用液动，由驱动活塞提供动力，可以实现响应速度快的目的。
1 结构及工作原理
主阀结构的简单示意图可如图1所示：
图1 高温流量调节阀的结构图
阀芯采用锥阀形式，由驱动活塞推动锥形阀芯控制阀口开度，在回路中，燃料流体经*左端的阀口进入主阀，由锥形阀芯控制流量大小。阀芯的开度由电液伺服阀驱动的驱动活塞来控制。
其工作原理如图2所示。
图2 流量调节阀工作原理图
原理图中：主阀8、电液伺服阀5、活塞缸11都固定在固定板1上。电液伺服阀与活塞缸通过阀块3进行管路连接，活塞杆2与主阀阀芯采用法兰连接，同时活塞缸要与主阀固定在一起。
电液伺服阀控制驱动活塞杆左右移动，从而控制主阀阀芯位移大小，调节燃料通过主阀阀口的流量。阀口的设计借鉴拉瓦尔管的特性及形状考虑，这样可以满足阀口出口处气流超声速的要求，也实现了不同压差下气体流速保持不变的目的，改善了高温阀的特性。
2 拉瓦尔管状阀口数学模型及设计
拉瓦尔管结构如图3所示。
图3 拉瓦尔管结构及速度云图
拉瓦尔喷管是一个先收缩后扩张的管道。它的主要特性是，在管道出口得到指定马赫数的超声速气流。在相同面积比的情况下，进口总压与出口反压比值不同时，管内气体呈现不同的流动状态。拉瓦尔喷管的正常工作条件是：管道前后压力比大于临界值；出口截面积与*小截面积的比值与指定的超声速气流马赫数相适应。
拉瓦尔喷管的流动特性是：同样温度，进口压力条件下，通过喷管的气体流量即只与喉部面积与出口面积比有关。这种流动特性利于高温下对于气体流量的控制，因为一定范围内不受前后压差变化的影响，易于实现流量稳定。拉瓦尔管正常工作时，*小截面处气流马赫数为1的临界状态，气流参数是临界参数，运算起来比较简便。因此，一般都用计算流过*小截面的气体流量的方法来确定拉瓦尔管的气体流量。据此，拉瓦尔管的气体流量公式可写为：
（1）
Km——热流系数
P0*——进口气体总压（Pa）
T0*——进口气体总温（K）
At——喉部面积（m2）
从式中可以看出，在*小截面处的气流马赫数为1的临界状态下，拉瓦尔管的气体流量只只取决于管道进口气体的总压和总温以及*小横截面积。
其中P0*为进口总压，为10MPa。按进口压力P0*=10MPa，出口压力Pe=1MPa进行初步设计。
（2）
（3）
λ——气体速度系数
进一步查表确定λ=1.75，q（λ）=0.4961
（4）
q（λ）——气体相对密流
根据喉部面积比，及加工工艺综合考虑，确定如图4所示阀口结构。
图4 阀口设计简图
3 基于FLUENT的阀口流场仿真
运用FUENT软件进行阀口处的流场进行仿真，分析阀口流量特性及压力和速度分布。
具体仿真步骤如下：
1）利用CAMBIT建立计算域和指定边界条件类型；
由于阀口形状为完全对称，故在仿真过程中为简化计算可利用二维图形代替三维仿真，网格划分如图5所示。
图5 阀口分析网络
2）利用FLUENT求解器求解。
在计算过程中对流体及边界条件做如下：
1、流体为完全气态，可压缩气体，实验时可采用氮气模拟，故仿真可用理想气体近似。
2、采用spalart一Anmaras湍流模型，此模型方便易收敛。
3、仿真时阀入口温度采用实验条件下的600℃，出口为500℃。
4、入口和出口分别采用压力入口和压力出口边界条件，其余为壁面接触。分别改变入口压力和出口压力，作出仿真结果。
4 流场仿真结果
根据拉瓦尔管建模思想，采用FLUENT软件，对设计主阀阀口处进行仿真。入口为10MPa，出口为SMpa，阀口位移为8.Omm时的仿真结果如图6、图7、图8、图9所示。
图6 速度场分布特性（阀芯位移x=8.0mm）
图7 压力分布特性（阀芯位移x=8.0mm）
图8 阀入口流量（阀芯位移x=8.0mm）
图9 阀出口流量（阀芯位移x=8.0mm）
图6、图7仿真结果表明，燃料气体在阀口*小截面处达到声速，之后气体继续加速变为超声速。图9、图10可以看出，达到稳定时，气体在阀入口与阀出口处流量持平。这符合拉瓦尔管特性流量调节机制。
阀口入口压力不变时（10MPa），通过改变阀口出口压力，作出多组仿真结果，得到不同出口压力下的气体通过阀口的流量如图10所示。同理当阀口出口压力保持不变（1MPa）时，改变不同的入口压力值，得到流量结果如图11所示。
图10 阀口流量与出口压力关系（10MPa）
图11 阀口流量与入口压力关系（1MPa）
仿真结果表时：阀口形状固定后，出口压力小于一定值（7MPa）时，流入流出阀口的气体流量与出口压力无关，只取决于入口压力（10MPa）。即
时，流量只与入口总压（10MPa）有关，且近似为线性关系。
改变阀芯位移x或者改变阀芯形状，可以得到相似的仿真结果，以此不再论述。
5 结论
对比仿真结果与数学模型可以得出以下结论：
1）高温阀的阀口采用拉瓦尔管形状设计方案后，当阀口开度不变时，前后压强在一定的比值范围内，流经阀口前后的气体流速基本保持不变，与理论分析的结果相吻合。
2）气体在阀口喉部流速达到声速，进入阀口后进一步加速到超声速，仿真结果与拉瓦尔管的数学特性相适应。
原创作者： 浙江超卓自控仪表有限公司
