安全阀流场试验研究

试验研究一直是流动力学的主要研究手段。其方法是利用相对运动原理，建立地面实验设备，如风洞、水洞、水槽、激波管等，直接测量流动参数，获取速度、压力等相关的流体力学数据。安全阀早期的许多研究成果都是通过试验手段获得的，主要包括流场测量和流场显形等试验方法。例如，20世纪80年代初，Maryland大学的D.W.Sallet教授与美国电力研究所合作，进行了大量的安全阀试验，取得了一系列突破性的成果。

（1）流场测量 流场测量是测量安全阀内若干空间点的压力数据，通过对这些数据的分析来判断流动形态和规律。D.W.Sallet教授在安全阀试验模型中设置了若干测压点，其中3个测点分别测量安全阀喉部、阀瓣下方密封中径处和阀座下调节圈出口处的压力，如图5⁃3所示。试验结果表明，测点3的压力随着背压增加而增加，而1、2点的不变，说明流场的最小喉部并不在1点（即喉部），而是在2点和3点之间。

图5-3 D．W.Sallet教授的流场压力测点布置示意图

J．Francis和P．L．Betts教授的试验方案：在阀瓣下方共设置18个压力测点，这18个点分布在9个不同的直径上，每个直径上放两个，且这两个测点相差90^。或180^。，如图5-4所示。经过对试验结果分析，得到以下结论：

1)密封中径内侧的压力分布基本是轴对称的，但密封中径外侧的压力分布不是轴对称的，出口侧的压力大于另一侧。

2)实际的背压与进口压力的临界压力比要小于0.528。

3)在喉部下游出现激波，且随开高增加，喉部和激波均向下游移动。

华南理T大学以郭崇志博士为首的研究小组在安全阀内部压力测量方面开展了大量的工作，设计了阀芯膜片式传感器，即在阀瓣内安装两个膜片传感器，上膜片感受弹簧力，下膜片感受介质作用力，通过这两个传感器测量安全阀动作过程中介质力和弹簧力的数值，研究其变化规律，如图5-5所示。

图5-4 J．Francis教授的试验方案巾压力测点布置示意图

图5-5 阀芯膜片式传感器结构示意图

1—卜膜片 2—下膜片

（2l流场显形 安全阀内部流场十分复杂，依靠几个压力测点的数据，仅能获知流动的局部特性，为此流场显形技术成为一种重要的试验手段。D．w．Sallet教授制作了一个二维有机玻璃试验模型，模型中流动的是水，水中注入空气气泡。利用多普勒激光测速仪测量水流的速度方向和大小。试验结果发现，安全阀内部流动十分复杂，多处发生流动边界分离。在上调节圈出口外发生严重的流动分离，如图5-6所示，造成该处的实际流通面积远远小于几何面积。(https://www.xing528.com)

Sallet教授还介绍过另外一种显形技术——油膜(oil- film)技术。即在密封面上涂一层油，根据流动后油膜干涸的情况来分析流场分布。

通过大量的试验研究，对安全阀的流动形态有了比较真实的了解，其结论为：安全阀内部流道结构比标准一维管道流动要复杂得多，前述中将安全阀简化为标准喷管后进行理论分析所得出的结论是不正确的，与安全阀的实际流动情况是不相符的。

图5⁃6 D.W.Sallet教授的流场显形试验

a）试验照片 b）内部流场示意图

虽然试验研究使人们真正开始认识安全阀的内部流动，但还是存在很多不足之处：

1）试验研究一般是在模拟条件下完成的，不可能完全满足所有相似参数、相似定律的要求。

2）安全阀内部流道结构复杂、比较狭小，测量难度大，很难实现全面、直观和细致的测量。

3）测量装置的布置可能会对流场产生干扰，从而产生误差。

4）试验装置比较复杂，试验成本高、研究周期长。

5）虽然能总结出一定的规律，但无法透彻分析现象内在的理论机理。

无论数值仿真技术发展到什么程度，试验研究都是开展安全阀研究必不可少的一个手段，这是毋庸置疑的。而且随着流场测试技术的发展，尤其是传感器技术、激光成像测速技术的发展，试验手段将发挥更为重要的作用。