轴流止回阀中氢气非定常流动特性研究

《International Journal of Hydrogen Energy》：Study on unsteady flow characteristics of hydrogen in an axial flow check valve

　　

# 摘要

为研究轴流止回阀开启过程中氢气的非定常流动特性，本研究采用源汇方法设计阀瓣外形。随后，结合动态网格技术和NIST真实气体模型建立瞬态流动模型。分析了阀瓣开启特性和流场分布。结果表明，当入口压力超过0.5 MPa时，阀门响应时间可达1 ms，且响应时间对弹簧刚度不敏感。氢气通过阀门后，速度增加140%，温度下降27%，压力降低83%，密度降低63%。流量比达到0.56时流阻系数达到最大值，在流量为1 kg/s时，流线型阀瓣可将压力损失降低75%以上。

# 引言

高压氢气在新能源汽车和分布式能源系统中被越来越频繁地使用。阀门内氢气的流动特性直接影响加氢系统的压力稳定性、传输效率和使用寿命[1,2]。确保高压氢气管道和储存设施的安全性和可靠性对氢能产业化至关重要。在这些系统中，轴流止回阀起着关键的调节作用。

数值模拟被广泛应用于分析各种流体控制装置的水动力性能，因为它能有效捕捉流场细节并降低实验成本。Li等[3]研究了流量、含气率和阀门开启时间对含气体泵-管道系统压力波动的影响。Wang等[4]研究了高速电磁阀中衔铁加速度和结构设计对气隙内挤流特性的影响。Zhong等[5]探讨了迟滞和涡流对高速开关阀动态响应的影响。Al-Obaidi等[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12]]结合计算流体动力学（CFD）模拟与实验分析，研究了各种操作参数对泵性能的影响，并开发了基于声学和振动信号的汽蚀检测和诊断技术。这些数值研究共同加深了我们对流体控制装置水动力特性的理解。

近年来的研究越来越关注氢能相关应用，特别是氢能产业中的阀门和流量控制问题。Su等[13]研究了氢摩尔分数对温度、压力、速度场以及焦耳-汤姆逊系数的影响。Liu等[14]研究了氢燃料电池汽车储罐阀门中流量限制器的动态行为。Wang等[15]分析了弹簧式氢气泄压阀的瞬态流固耦合流动特性，重点关注阀瓣角度的影响。Fan等[16]提出了纯氢/掺氢气体压力调节阀的阀瓣设计和多目标优化方法，实现了阻力系数、湍动能和流量特性线性的协同优化。Wang等[17]研究了加氢过程中阶梯锥形节流阀的氢气降压流动特性。然而，大多数这些研究基于理想气体假设。研究表明，氢气在高压条件下表现出显著的真实气体行为。当压力超过约10 MPa时，偏离理想气体状态方程的现象开始出现。在储存压力高达1000 bar的条件下，真实气体效应尤为显著，热物理参数与理想气体假设预测的结果存在显著差异[18]。

此外，许多学者关注阀门开启过程中伴随的剧烈非定常流动现象，并对其影响因素进行了深入的研究。Su等[19]探索了高压隔膜泵止回阀中流场与阀瓣运动界面的相互作用机制。Yang等[20]研究了低功耗数字阀的参数匹配和开/关响应特性。Ye等[21]研究了阀瓣端角对阀门开启过程中内部流动特性的影响。Yu等[22]模拟了中国先进压水堆ADS泄压阀前三阶段在不同开启速度下的开启特性，以及ADS-4的关闭工况。Schickhofer等[23]研究了弹簧和垫片阀在压缩和回弹条件下的动态稳定性和非线性行为。特别是对于高压氢气止回阀，开启过程中的瞬态流动和力的冲击引起了广泛关注[24,25]。

阀门开启过程中，流场经历剧烈节流、涡流形成、回流和压力波动[26,27]。特别是在高压条件下，这些不稳定性可能引发阀瓣振动、汽蚀磨损甚至结构损伤，从而威胁系统安全[[28], [29], [30]]。基于这项研究，一些学者优化了阀瓣设计以提升阀门性能。例如，优化阀体结构[31,32]已证明可以减少流体脉动力和速度振荡。其他研究[33]通过修改轴流止回阀的阀瓣结构参数改进了动态特性。若干研究人员[[34], [35], [36], [37]]采用多目标优化方法同时优化各种阀门类型的结构参数，减少压力损失并提高响应速度。最近，Zong等[38]提出了一种混合代理模型驱动的优化策略。因此，阀门优化已从孤立的结构改进发展为综合代理模型、智能算法和新型执行方法的全面框架。然而，对于在极端条件下（如高压和高频操作）运行的阀门，仍需要进一步优化。

总之，虽然基于数值模拟的系统性阀门研究已经相当成熟，但以下研究空白仍然存在：

（1）现有的轴流止回阀阀瓣优化研究主要集中在调整传统平面或锥形几何形状的参数。虽然这些方法可以在一定程度上改善流动，但无法克服传统几何形式的局限性。流体经过阀瓣时流动方向的突变容易产生下游的流动分离和涡流区域，导致显著的区域压力损失和能量耗散。

（2）目前针对高压氢气系统的阀门研究主要集中在安全阀和泄压阀上。然而，关于轴流止回阀的研究主要使用水或油作为工作介质。因此，由氢气可压缩性引起的复杂流动现象，如流场不稳定性和瞬态涡流演化，仍不清楚。

（3）现有的高压氢气阀门分析通常采用理想气体模型。然而，该模型严重低估了节流引起的温度变化和压力波动，从而降低了阀瓣动态响应的预测精度。高压氢气表现出显著的焦耳-汤姆逊效应，这是理想气体或不可压缩流动模型无法捕捉的。

为解决这些研究空白，本研究提出了一种基于美国国家标准与技术研究院（NIST）真实气体模型、动态网格和间隙模型的轴流止回阀瞬态流动模拟方法。本工作相较于现有研究具有以下独特优势：

（1）提出了一种流线型阀瓣设计方法。基于源汇方法和精确的数学表达式，设计了适用于高压氢气轴流止回阀的流线型阀瓣外形。该外形有效抑制了涡流和回流区域，显著改善了阀瓣上游氢气流场的均匀性。

（2）准确捕捉了瞬态开启流动。利用动态网格技术和间隙模型，模拟了阀瓣运动过程中的流场演化。分析了不同入口压力下开启过程中速度、压力和温度的动态演化。

（3）确保了高压氢气物性的准确描述。采用NIST真实气体模型精确定义高压氢气的热物理性质，克服了理想气体或不可压缩介质模型在预测高压氢气流动时的精度局限性。

# 阀门外形设计

本研究针对高压氢气加注用轴流止回阀。如图1(a)所示，在正流通过程中，介质压力作用于阀瓣，克服弹簧力和阀瓣的惯性效应。该作用推动阀瓣沿阀杆向出口方向移动，开启阀门，使介质顺畅通过阀内区域。在反流通过程中，正向压力消失，弹簧力驱动阀瓣向阀座方向移动。

# 控制方程

氢气的状态参数采用从NIST数据库获取的真实气体数据定义[41]。真实气体模型在预测高压氢气流动方面已被证明比理想气体模型更为准确。Yu等[25]利用了NIST数据库中的相关氢气参数并验证了其可靠性。采用Redlich-Kwong方程[42]作为真实气体状态方程：

??=????????????????????(????+??)???12

其中 ?? 为气体压力（Pa），?? 为气体常数（J · mol?1 · K?1），?? 为

# 阀瓣结构对水动力性能的影响

图5展示了两种阀瓣类型在开启过程中的速度云图，比较了流线型阀瓣与传统平面阀瓣对氢气流动特性的影响。在阀门开启的初始阶段，高压氢气被迫通过阀瓣与阀座之间的狭窄间隙。由于流道极度收缩，氢气在进入间隙之前被迫径向转弯并加速，形成一

# 结论

在本研究中，基于源汇方法设计了一种流线型阀瓣，并提出了一种基于NIST真实气体模型的计算流体动力学方法。针对高压氢气加注用轴流止回阀，分析了阀瓣结构、入口压力和弹簧刚度对阀瓣动态响应的影响。揭示了阀瓣开启过程中阀内氢气的变化及流场分布。主要结论

# CRediT作者贡献声明

陈勋明：撰写——初稿。周军超：撰写——审阅与编辑。吴松：撰写——审阅与编辑。于相达：撰写——审阅与编辑。顾彩丽：撰写——审阅与编辑。刘建：撰写——审阅与编辑。段晓波：撰写——审阅与编辑。杜海平：撰写——审阅与编辑。

# 利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

# 致谢

本研究由四川省科技成果转化项目[项目编号2024ZHCG0063]资助。

陈勋明|周军超|吴松|于相达|顾彩丽|刘建|段晓波|杜海平

四川轻化工大学，四川自贡，643000，中国