基于Fluent的電磁卸荷閥主閥流場數(shù)值仿真分析

秦海初，趙東升

（山西中煤華晉能源有限責(zé)任公司，山西 河津 043300）

1 電磁卸荷主閥二維仿真模型的建立

在建立二維仿真模型時應(yīng)考慮所建模型的實際結(jié)構(gòu)、模型參數(shù)必須與實際物理模型相一致；建立的模型不能過于復(fù)雜，也不能過于簡化，過于復(fù)雜或者簡化都會使得仿真計算結(jié)果不能夠準確地反映研究對象的本質(zhì)。

本文所要研究的電磁卸荷主閥的二維幾何模型如圖1 所示。將用AutoCAD繪制出的卸荷主閥的二維模型導(dǎo)入到Gambit中生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格模型，如圖2 所示。

圖1 電磁卸荷主閥幾何模型

圖2 電磁卸荷主閥的二維 網(wǎng)格模型

2 建立電磁卸荷主閥仿真模型的條件

電磁卸荷主閥仿真模型的建立是基于以下假設(shè)條件：①工作介質(zhì)為不可壓縮的液態(tài)水，為黏性牛頓流體；②不考慮工作介質(zhì)的自身重量以及閥體流道內(nèi)的能量交換；③將近壁面二維網(wǎng)格上的物理量按照標準壁面函數(shù)來計算；④利用有限元分析法建立仿真模型的離散數(shù)學(xué)方程，采用SIMPLEC算法來耦合壓力速度，初始化流場從工作介質(zhì)進入電磁卸荷主閥的入口計算。

3 仿真分析

3.1 主閥開口度不同

當(dāng)工作介質(zhì)進入電磁卸荷主閥入口的壓力為31.5MPa、出口壓力為0.1MPa時，利用建立的仿真模型分別對主閥開口度為1.5mm和3mm的主閥內(nèi)流體進行仿真計算，得出了主閥開口度不同時閥內(nèi)流體的壓力、速度分布圖，如圖3 ～圖6 所示。

圖3 主閥開口1.5mm時流體壓力分布

圖4 主閥開口3.0mm時 流體壓力分布

從圖3 和圖4 中可以看出：當(dāng)主閥的開口度為1.5mm時，閥口拐角處壓力為0.011 8MPa，當(dāng)主閥開口度為3mm時，閥口拐角處壓力為0.013 2MPa，即主閥閥口的壓力隨著主閥開口度的增大而加大；主閥內(nèi)流體壓力在閥口處變化比較劇烈，主閥開口度越大，流經(jīng)主閥的工作介質(zhì)的能量損失越少。

主閥閥口拐角處由于氣泡聚集，容易產(chǎn)生氣穴，閥芯和閥口處易遭到氣蝕損壞。由于在閥腔內(nèi)遠離閥口處工作介質(zhì)的射流擴散、流速較低、壓強較高，從閥口至遠離閥口的位置上，軸向壓力分布逐漸減大，產(chǎn)生軸向穩(wěn)態(tài)液動力。

從圖5 和圖6 中可以看出：當(dāng)主閥開口分別為1.5mm和3mm時，閥口最大流速分別為為229.76 m／s和216.08m／s，工作介質(zhì)在閥口處的流速隨著主閥閥芯開口度的增大而減小。由于錐角本身具有一定的導(dǎo)流作用，因此工作介質(zhì)在主閥閥口處的射流角基本上與錐角角度相同，不受閥口開口度的影響。

圖5 主閥開口1.5mm時流體速度分布圖

圖6 主閥開口3.0 mm時 流體速度分布圖

3.2 入口壓力不同

主閥開口度一定，均為1.5mm，出口壓力為0.1 MPa，其他邊界條件不變的情況下，利用建立的仿真模型分別對入口壓力分別為30MPa和33MPa時進行仿真計算。得出了入口壓力不同時，閥內(nèi)流體的壓力、速度分布，如圖7 ～圖1 0所示。

圖7 入口壓力為30MPa時流體壓力分布

圖8 入口壓力為33MPa時 流體壓力分布

從圖7 和圖8 中可以看出：入口壓力為30MPa和33MPa時，主閥閥口拐角處壓力分別為0.025 MPa～0.053MPa和0.001 8MPa～0.012MPa。壓力均小于液態(tài)水的飽和蒸汽氣壓，會有氣穴現(xiàn)象產(chǎn)生。

從圖9和圖1 0中可以看出：在入口壓力分別為30MPa和33MPa時，最大流速分別為217m／s和249m／s，閥口處的流速最大。入口的壓力越大，主閥閥口處的流速越大。

圖9 入口壓力為30MPa時流體流速分布

圖1 0 入口壓力為33MPa時 流體流速分布

4 主閥結(jié)構(gòu)改進

基于以上仿真結(jié)果，對電磁卸荷閥主閥的結(jié)構(gòu)進行了改造，在閥口處增加節(jié)流口，得到了新的流道幾何模型，如圖1 1所示。

改進前、后主閥流道內(nèi)壓力分布對比如圖1 2所示。從圖1 2中可以看出：在主閥開口度、入口壓力、出口壓力均一定的情況下，改造后主閥閥口的壓差遠遠小于改進前。氣穴現(xiàn)象仍然存在，低壓范圍明顯縮小了，所以增加節(jié)流口能有效地減少氣蝕損害，提高電磁閥的使用壽命。

圖1 1 改造后主閥的幾何模型

圖1 2 改進前、后主閥流道內(nèi)壓力分布對比

改進前、后流道內(nèi)流體速度對比如圖1 3所示?？梢钥闯?，增加節(jié)流口后與改造前相比，閥口流體速度有了明顯的降低，減少了工作介質(zhì)對閥口產(chǎn)生的瞬間沖擊，減輕了閥芯的振動。

5 結(jié)語

本文利用Fluent軟件建立了乳化液泵站電磁卸荷閥主閥的二維網(wǎng)格仿真模型，得出了不同開口度、不同入口壓力時，閥內(nèi)流體壓力、速度分布圖。分析了主閥開口度、入口壓力對流道內(nèi)流體的壓力、速度的影響。得出增加節(jié)流口，可減少工作介質(zhì)對閥口產(chǎn)生的瞬間沖擊，減輕閥芯的振動，減少氣蝕損害，提高電磁閥的使用壽命。

圖1 3 改進前、后流道內(nèi)流體速度對比

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