基于CFD技術(shù)的截止閥阻力特性分析

　　研究截止閥啟閉過(guò)程中的阻力特性，建立閥門(mén)的相對開(kāi)度與壓力損失之間的數學(xué)模型，并借助計算流體動(dòng)力學(xué)軟件fluent，應用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對閥門(mén)的內部流場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數值模擬。結果表明：理論值與模擬值之間的相對誤差滿(mǎn)足精度要求，證明此數學(xué)模型在工程實(shí)用中的可行性，同時(shí)為截止閥及其他閥門(mén)的結構設計及優(yōu)化提供理論參考。

　　閥門(mén)作為管路系統中的一個(gè)重要部件，同時(shí)也是產(chǎn)生能量損耗的主要元件，在設計過(guò)程中不應只注重閥門(mén)的結構型態(tài)而忽視其流態(tài)特性。當流體通過(guò)閥道時(shí)產(chǎn)生諸如旋渦、水錘、死水區、二次流等水流現象，這些現象是影響閥道局部壓力損失的主要因素。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)通過(guò)分析閥門(mén)通徑、流量系數、流速、阻力系數等參數之間的關(guān)系，對截止閥流道的流場(chǎng)特點(diǎn)和阻力特性進(jìn)行研究，得出其相對開(kāi)度與壓力損失之間的函數關(guān)系，能夠更好地了解截止閥的能耗情況，同時(shí)為閥門(mén)的結構設計與優(yōu)化提供有效的理論依據。

　　FLUENT的軟件設計基于CFD軟件群的思想，針對各種復雜流動(dòng)的物理現象，采用不同的離散格式和數值方法，在特定領(lǐng)域內使計算速度、穩定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域復雜流動(dòng)問(wèn)題的計算�；�于計算流體力學(xué)理論，利用該軟件對流體流經(jīng)不同開(kāi)度截止閥時(shí)的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，克服了閥門(mén)的幾何特征較復雜、很難掌握其內部流態(tài)等特點(diǎn)，使研究結果可視、直觀(guān)化。

1、結構模型

　　1.1、物理模型

　　圖1為J41H型截止閥，該閥的啟閉件是塞形的閥瓣，密封面呈平面或錐面，閥瓣沿閥座的中心線(xiàn)作直線(xiàn)運動(dòng)。閥體的公稱(chēng)通徑為DN32，采用不銹鋼材料制成。根據其結構尺寸參數，同時(shí)考慮到實(shí)際數值模擬的可行性，對模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，繪制出用于CFD分析的二維模型，如圖2所示。

圖1 J41H型截止閥

圖2 截止閥模型

　　針對XYZ-100、XYZ-125稀油站系統，使用N150機械油作為流體介質(zhì)，根據標準GB443-89查得：N150機械油密度為ρ=900kg/m3;運動(dòng)黏度為ν=1.5×10-4m2/s;

　　1.2、數學(xué)模型

　　1.2.1、開(kāi)度與流量系數

　　在液壓油為不可壓縮液體時(shí)可將直通式截止閥的流量特性表示為：

結果分析

　　經(jīng)運算，得到截止閥在不同流速、不同開(kāi)度下的壓力、速度流場(chǎng)分布情況，限于篇幅，只給出流速為2.07m/s時(shí)的流場(chǎng)分布如圖4、5所示�？梢钥闯觯涸陂y門(mén)開(kāi)度較小時(shí)，流體所受阻力較大，入口靜壓很大，而閥門(mén)右上側壓力較低，在閥瓣與壁面的微小縫隙中形成了一股高速射流;隨著(zhù)閥瓣向上運動(dòng)，流速逐漸趨于穩定，射流現象消失，能量損失也相應減小。

圖4 流速為2.07m/s時(shí)不同開(kāi)度下的總壓力分布云圖對比

圖5 流速為2.07m/s時(shí)不同開(kāi)度下的速度分布云圖對比

　　從模擬結果可知：造成壓力損失的主要原因是閥道內部產(chǎn)生旋渦、形成紊流的分離回流區;其次是閥道出口的主流集中在管的上壁，該處流速分布不均勻、流速梯度大。當閥門(mén)開(kāi)度小于20%時(shí)流場(chǎng)比較復雜，能量損失較大;當開(kāi)度大于80%時(shí)，流態(tài)比較穩定，壓力、速度梯度較小，能量損失也較小。閥門(mén)在啟閉過(guò)程中受力會(huì )發(fā)生較大變化，導致沖擊與振動(dòng)，易引起閥體的變形與疲勞破壞，設計人員應當給予重視。將模擬計算得到的壓力損失與利用理論公式計算得到的壓力損失進(jìn)行對比，見(jiàn)表1。

表1 截止閥開(kāi)度、過(guò)流速度及壓力損失關(guān)系表

　　可以看出：根據公式(20)求出的理論壓力損失值與試驗模擬值已很接近，且最大相對誤差不超過(guò)6%。同時(shí)得到截止閥開(kāi)度與阻力系數之間的關(guān)系曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6，可以看出：隨著(zhù)開(kāi)度的不斷增大，截止閥的阻力系數不斷減小，當開(kāi)度較小時(shí)，截止閥的阻力系數非常大，流體流過(guò)時(shí)將產(chǎn)生很大的壓力損失。

圖6 截止閥開(kāi)度與阻力系數的關(guān)系

　　經(jīng)分析，產(chǎn)生誤差的原因如下：

　　(1)由于截止閥實(shí)際結構復雜，文中在進(jìn)行物理建模時(shí)將截止閥結構簡(jiǎn)單化，因此數值模擬結果與理論計算結果之間存在一定的誤差。

　　(2)理論數學(xué)模型中的k0、k值不能準確確定，只能靠手冊查取;流體的黏度、溫度、壓力等參數在相對開(kāi)度變化時(shí)也會(huì )發(fā)生變化。

　　(3)該理論計算公式的推導排除了一切外在影響，包括流體間的相互擾動(dòng)，以及流場(chǎng)間壓差的相互干擾等;而計算機數值模擬是通過(guò)有限元計算模擬了流體的真實(shí)流動(dòng)，接近于實(shí)際運動(dòng)情況�；�于上述原因，誤差的存在是難以避免的。由于誤差在6%以?xún)�，故認為所提出的理論計算方法所得結果與模擬實(shí)驗結果基本吻合，表明所建數學(xué)模型準確可行。

4、結論

　　(1)根據截止閥的流量特性，運用數學(xué)方法推導出相對開(kāi)度、流速、公稱(chēng)通徑、壓力損失之間的數學(xué)模型，避開(kāi)了通過(guò)研究截止閥內部復雜結構來(lái)分析閥門(mén)相對開(kāi)度、流速、壓力損失之間的關(guān)系，從側面將復雜問(wèn)題解決。

　　(2)采用CFD技術(shù)對截止閥二維模型內部流場(chǎng)特性作數值模擬，得到各種參數的分布云圖和數據，同時(shí)運用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)更真實(shí)、連續地模擬出閥瓣啟閉過(guò)程中的液流流動(dòng)情況，解決了穩態(tài)分析不能求解的問(wèn)題，在節約實(shí)驗成本的同時(shí)還得到了更為有效直觀(guān)的實(shí)驗結果。

　　(3)通過(guò)將數值模擬試驗得到的結果與理論計算結果進(jìn)行對比分析，結合實(shí)際工程應用中的經(jīng)驗，證明此數學(xué)模型對截止閥的結構設計及優(yōu)化具有一定的參考意義。