基于CFD技術(shù)的高壓截止閥內流道結構參數的分析

　　運用CFD軟件對一種高壓截止閥進(jìn)行了三維數值模擬，對截止閥不同的內流道結構進(jìn)行流動(dòng)分析。通過(guò)對典型的高壓截止閥結構進(jìn)行建模，借助CFD軟件分析了閥門(mén)內部流場(chǎng)的流動(dòng)特性，給出了優(yōu)化的內流道結構的分析結果及產(chǎn)品設計的理論依據。

1、概述

　　截止閥的內部流道形狀結構復雜，流體流動(dòng)的狀況也較復雜。工程設計中截止閥的內流道結構參數主要是參照一些設計手冊提供的經(jīng)驗公式和系數估計。而設計手冊上根據以往的實(shí)驗結果歸納得出的經(jīng)驗公式和系數一般并不能很準確地符合具體的產(chǎn)品，真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為這是阻礙閥門(mén)質(zhì)量提高的重要原因。由于閥門(mén)的幾何特性比較復雜，一般很難掌握其內部流態(tài)，在設計中經(jīng)常忽視閥門(mén)的流態(tài)特性，從而引起較大的能耗。CFD數值模擬技術(shù)為準確預測與分析閥門(mén)流動(dòng)特性提供了一條有效的新途徑。它不受閥門(mén)形狀、尺寸和工質(zhì)限制，既能提供高精度的性能預測，又能顯示流場(chǎng)的詳細分布，而且比實(shí)驗測試所需的費用低、周期短。

2、截止閥的物理模型

　　2.1、流域結構模型

　　高壓截止閥一般多采用鍛造閥體，流道則通過(guò)機加工完成。本文中所用計算模型的流域結構及其主要結構尺寸如圖1所示。

圖1 截止閥的流域結構

　　2.2、基本假設及模型調整

　　為便于公式推導及數值計算，本文對擴散管內部流動(dòng)作如下假設，流體為連續、不可壓縮的理想流體，定常流動(dòng)，擴散管入口流速均勻，流體與固壁之間無(wú)熱交換，忽略重力的影響，其他遵從流體力學(xué)一般假設。

3、數值建模及網(wǎng)格劃分

　　3.1、控制方程

　　本文采用標準k-ε模型進(jìn)行數值模擬，其控制方程有連續性方程、動(dòng)量守恒方程(N-S方程)和湍流脈動(dòng)動(dòng)能方程。

　　3.2、幾何建模與網(wǎng)格劃分

　　為保證流場(chǎng)流動(dòng)充分，在高壓截止閥兩端均加有長(cháng)度為5倍直徑的直管段�？紤]流場(chǎng)的對稱(chēng)性，為便于計算，取流場(chǎng)的一半按對稱(chēng)計算。采用非結構化網(wǎng)格對高壓截止閥的流動(dòng)區域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。利用CAD軟件建立幾何模型，模型結構尺寸如表2所示。通過(guò)ACIS或IGES文件格式導入ICEMCFD或GAMBIT中進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理。

表2 截止閥模型尺寸

　　3.3、邊界條件

　　設定入口為速度入口條件，出口為自由出流，模型滿(mǎn)足對稱(chēng)條件則采用對稱(chēng)邊界，固壁采用無(wú)滑移邊界條件(表3)。

表3 邊界條件設置

4、CFD計算結果及分析

　　將劃分好的網(wǎng)格，設置好邊界類(lèi)型，導出.msh網(wǎng)格文件輸入到FLUENT中進(jìn)行計算。在計算迭代收斂后，將計算結果進(jìn)行后處理，或導出到后處理軟件中進(jìn)行后處理。圖2為計算過(guò)程中的殘差收斂變化曲線(xiàn)監視圖。

　　1.耗散率ε2.湍動(dòng)能k3.Y向-速度4.X向-速度5.Z向-速度6.連續性(質(zhì)量流)

圖2 殘差收斂變化曲線(xiàn)

　　圖3所示為截止閥閥瓣開(kāi)啟高度與其流量系數之間的關(guān)系曲線(xiàn)圖。隨著(zhù)開(kāi)啟高度的增大，流量系數呈遞增趨勢。當開(kāi)啟高度達到一定值(圖中橫坐標1.0處)時(shí)，其流量系數值則不再增大，反而隨著(zhù)開(kāi)啟高度的繼續增大而減小。

圖3 截止閥流量系數與開(kāi)啟高度的關(guān)系曲線(xiàn)

　　圖4所示為截止閥開(kāi)啟高度與閥座直徑比為1.2時(shí)，其內部流場(chǎng)局部流速矢量圖。從圖中可以看出，當閥瓣開(kāi)啟高度過(guò)高，對于底進(jìn)上出的流向而言，閥瓣不能起到很好的導流作用，從而導致局部水力損失，影響了閥門(mén)整體性能。

圖4 開(kāi)啟高度與閥座直徑比為1.2時(shí)的截止閥內部流場(chǎng)局部流速矢量圖

　　圖5所示為截止閥閥瓣圓角大小與其流量系數之間的關(guān)系曲線(xiàn)圖，從圖中可以看出圓角的存在可以提高截止閥的流量系數值，但圓角并不是越大越好，圓角越大反而不能起到較好的導流作用若以流量系數為優(yōu)化目標對象，則對應閥瓣的圓角大小存在著(zhù)一個(gè)最優(yōu)值。此外，從圖中可以看出閥瓣的圓角大小對流量系數的影響較小，在閥門(mén)的設計過(guò)程中可以作為次要因素考慮。

圖5 截止閥閥瓣圓角半徑與流量系數的變化關(guān)系

5、結語(yǔ)

　　通過(guò)對典型高壓截止閥結構建模，并借助CFD軟件對其內部流場(chǎng)的流動(dòng)特性進(jìn)行了分析。結果表明截止閥的流量系數隨著(zhù)閥瓣的開(kāi)啟高度先增大，達到一峰值后則出現下降趨勢。此外，截止閥的流量系數還隨著(zhù)閥瓣圓角大小變化呈先增大后減小的變化趨勢，且得出閥瓣圓角大小對流量系數的影響較小。通過(guò)對截止閥內部流場(chǎng)的CFD分析，可以對截止閥內流道結構參數的設計，提供足夠理論依據指導截止閥的優(yōu)化設計，為降低工業(yè)系統中的能耗，提供理論基礎。