基于FLUENT的節流管式調節閥結構優(yōu)化

　　應用三維建模軟件Pro/ENGINEER對節流管式調節閥進(jìn)行了實(shí)體建模，抽取閥門(mén)內部流道，采用前處理軟件ICEM-CFD劃分流道的計算網(wǎng)格。應用計算流體力學(xué)軟件FLUENT對閥門(mén)流道進(jìn)行三維數值模擬，得到節流管端面處的壓力分布，并通過(guò)二次計算得出閥門(mén)電機功率。在此基礎上，對閥門(mén)流道進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對比分析不同流道對應的閥門(mén)電機功耗，得到了更為理想的節流管式調節閥結構尺寸。

　　調節閥是流體輸送系統中重要的控制部件，廣泛應用于核電領(lǐng)域。核動(dòng)力裝置對調節閥的性能要求都很高，不僅要確保調節品質(zhì)，還需要降低閥門(mén)功耗。節流管式調節閥是哈爾濱工程大學(xué)研制的一種新型調節閥，用于流體輸送管道的流體壓力或流量的調節，特別適用于核動(dòng)力裝置各回路系統。它采用自身的高壓流體作為工質(zhì)，通過(guò)調整節流管端面與活塞中心處的軸向泄流孔端面之間的間隙來(lái)改變活塞兩側受控流體的壓差，進(jìn)而使與活塞聯(lián)動(dòng)的閥盤(pán)移動(dòng)并精確平衡在所要求的位置上。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)計算機和計算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，數值模擬的優(yōu)越性越來(lái)越明顯，已經(jīng)開(kāi)始用于研究流體機械的內部流動(dòng)。節流管式調節閥的內部結構比較復雜，本文運用CFD軟件FLUENT對其內部流場(chǎng)進(jìn)行了三維數值模擬，并詳細研究了不同閥門(mén)結構的內部流場(chǎng)受力情況和閥門(mén)驅動(dòng)電機功耗。

1、節流管式調節閥結構及三維建模

　　本文應用三維建模軟件Pro/ENGINEER建立流道模型。

1.1、建立流道模型

　　圖1是節流管式調節閥的結構圖。它由閥體、閥盤(pán)組件、活塞組件、節流管組件、雙面法蘭以及閥門(mén)外圍部件構成，流體從右側流入，左側流出。閥門(mén)公稱(chēng)通徑為DN80/100，設計壓力為4.2MPa，工作壓力為(2.15±0.10)MPa，減壓壓力不低于0.5MPa。

圖1 節流管式調節閥結構圖

　　從圖1可以看出，節流管式調節閥內部的流道比較復雜，若直接對流道進(jìn)行建模將面臨很大困難。本文首先建立閥門(mén)的實(shí)際模型，然后建立一個(gè)內部無(wú)流道、但外部結構尺寸和實(shí)際模型一樣的“實(shí)心體模型”，最后將兩者重合裝配為一個(gè)組件，對重合的閥門(mén)組件依次采取“編輯”、“元件操作”、“切除”操作，即得到閥門(mén)流道模型。為了減少計算量和節約計算機資源，對節流管內部上半部分的流道做簡(jiǎn)化處理，并采用流道的一半為計算區域，圖2為抽取出來(lái)的流道模型。

1.2、劃分計算網(wǎng)格

　　利用專(zhuān)業(yè)的前處理軟件ICEM-CFD對流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于流道復雜，采用的是非結構化的四面體網(wǎng)格。閥頭附近流體的速度與壓強的梯度很大，對此區域進(jìn)行網(wǎng)格加密。流道網(wǎng)格劃分如圖3所示，節流管式調節閥開(kāi)度為30%，網(wǎng)格數量為79萬(wàn)。

2、模擬計算及結構優(yōu)化

　　本算例采用計算流體力學(xué)軟件FLUENT對調節閥流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬。

2.1、邊界設置

　　啟動(dòng)FLUENT，選用三維雙精度求解器，導入流道網(wǎng)格。采用三維穩態(tài)隱性壓力基求解模型，湍流模型選用k-ε湍流模型;流體介質(zhì)采用水，作不可壓縮流體考慮，設置重力加速度為-9.8m/s2;湍流強度取3%，設置進(jìn)口面邊界為壓力進(jìn)口(2MPa)，入口水力直徑為0.08m，出口面邊界為壓力出口(1MPa)，出口水力直徑為0.1m;采用SIMPLE算法和一階迎風(fēng)離散格式，殘差精度設為10-5，并監控出口面的流量變化。

2.2、節流管組件機械傳動(dòng)計算

　　節流管式調節閥的執行器機構是一個(gè)小功率電機，其最大功率為25W，工作電壓220V，電機設計參數為15r/min。螺桿的螺紋是普通三角形螺紋，其公稱(chēng)直徑為d=8mm，螺距為1.25mm，中徑為d2=7.188mm。

　　螺套管每分鐘向下運動(dòng)L=15×1.25=18.75mm;

　　螺套管運動(dòng)速度為：

;

　　螺桿和螺母的材料均為鋼，查得螺紋副的摩擦系數f=0.17;

　　螺紋當量摩擦角ρ'，其正切值為：

　　螺紋升角ψ是螺旋線(xiàn)的切線(xiàn)與垂直于螺紋軸線(xiàn)的平面的夾角，其正切值為：

　　在螺桿和螺套管之間存在螺旋傳動(dòng)，該螺紋副的傳動(dòng)效率為：

　　假定電機的工作效率為100%，電機沿豎直軸線(xiàn)轉動(dòng)，通過(guò)螺桿傳動(dòng)向下的作用力。電機每轉動(dòng)一周，螺桿也轉動(dòng)一周，螺套管向下運動(dòng)一個(gè)螺距的位移。設P為電機功率，P'為電機傳遞到的螺套管直線(xiàn)運動(dòng)時(shí)的功率，而考慮螺紋副的傳動(dòng)效率，其對應的轉化關(guān)系可以根據公稱(chēng)直徑與螺距的關(guān)系(如圖4)得出：

(1)

圖4 公稱(chēng)直徑與螺距的三角關(guān)系

　　根據功率、速度與力的關(guān)系：

(2)

　　電機帶動(dòng)節流管向下勻速運動(dòng)，由牛頓第二定律可知其作用力F'等于流體對節流管的壓力F，即

F'=F (3)

　　則電機消耗的功率P為：

(4)

　　其中：a≈0.0181m/s。

2.3、結構優(yōu)化

　　通過(guò)上一小節的機械傳動(dòng)計算可知電機功率和節流管壓力成正比，本文就是從減少節流管所受壓力的角度對流道進(jìn)行優(yōu)化設計的。通過(guò)觀(guān)察流道結構，可以通過(guò)減小閥體中的導氣孔直徑來(lái)減少閥門(mén)電機功耗(導氣孔結構如圖2所示)。

　　節流管式調節閥閥體中的導氣孔實(shí)際直徑為6mm，應用Pro/E軟件改變節流管式調節閥中導氣孔直徑，將直徑分別改為4、5、7、8mm，并抽取各流道模型 ，劃分網(wǎng)格，導入到FLUENT里進(jìn)行數值模擬。表1為計算得出的節流管所受軸向壓力以及活塞的受力情況。

表1 改變閥體中導氣管直徑時(shí)節流管的受力

　　通過(guò)式(4)可計算出當導氣孔直徑為4、5、6、7、8mm時(shí)，所對應的電機功率分別為2.39、2.49、2.65、2.836、3.02W。

　　從圖5中可以看到，當減小導氣孔直徑時(shí)，活塞上表面的壓力也隨之減小，活塞兩側流體的壓差也減小�；钊�是帶動(dòng)閥桿向下運動(dòng)的主要動(dòng)力，若過(guò)度減小導氣孔直徑，會(huì )影響到活塞的合力，進(jìn)而影響閥門(mén)開(kāi)啟。因此，適當的減小閥體中的導氣孔直徑，可有效節省閥門(mén)電機功耗。圖6為電機功率隨導氣孔直徑變化的曲線(xiàn)圖，從圖6中可以看到，改變調節閥閥體中的導氣孔直徑后，電機功率隨導氣孔直徑的變化很明顯。當導氣孔直徑大于閥門(mén)實(shí)際直徑時(shí)，電機功率隨著(zhù)導氣孔直徑的增大而增大;當導氣孔直徑小于其實(shí)際直徑大小時(shí)，電機功率隨著(zhù)直徑的減小而減小。

圖5 活塞兩側壓差隨導氣孔直徑變化的曲線(xiàn)圖

圖6 電機功率隨導氣孔直徑變化的曲線(xiàn)圖

3、結語(yǔ)

　　減小節流管式調節閥的導氣孔直徑可有效降低電機功耗。通過(guò)對不同導氣孔直徑的調節閥內部流道進(jìn)行三維穩態(tài)數值模擬以及節流管內部機械傳動(dòng)計算，得出流體對節流管端面處以及活塞兩側的壓力，求出閥門(mén)在不同導氣孔直徑大小時(shí)的電機功率。分析得知：導氣孔直徑減小時(shí)，電機功率減小;導氣孔直徑增大時(shí)，電機功率也隨之增大。