旋啟式止回閥全開狀態(tài)下的數(shù)值模擬

包玉霞++趙全成

摘 要：為了得到旋啟式止回閥的最大流量和在不同流量下的壓力損失曲線，采用了計算流體動力學（CFD）方法，根據(jù)止回閥的工作原理，建立了該閥全開狀態(tài)下的三維有限元模型，并利用Fluent軟件中提供的計算方法和物理模型進行了非定常的數(shù)值模擬計算，獲得了閥門內部流場的壓力云圖、速度矢量圖和不同流量下的壓力損失曲線圖。結果表明，該閥在全開狀態(tài)下流動平穩(wěn)、壓力損失小、閥瓣后方出現(xiàn)了較小的漩渦、沒有負壓出現(xiàn)，此研究結果為止回閥的設計改造提供了依據(jù)。

關鍵詞：旋啟式止回閥；壓力損失曲線；流體動力學；Fluent

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.105

目前，國內使用最普遍的是旋啟式止回閥，其閥瓣動作主要受流動介質的控制，在閥門關閉瞬間介質為反向流動，易產(chǎn)生對管道系統(tǒng)起破壞作用的水錘現(xiàn)象。在實際應用過程中，了解止回閥的流量特性和工作特性對充分利用該閥起著非常大的作用，而用試驗的方法不僅成本高、操作困難，而且還需較長的時間才能完成。因此，本文利用流場仿真軟件Fluent對某型號的旋啟式止回閥進行全三維瞬態(tài)數(shù)值模擬計算，得到了該閥全開狀態(tài)下的內部流場結構和壓力流量變化曲線。這不僅節(jié)約了成本、縮短了設計周期，還大大減少了不必要的損耗，為旋啟式止回閥的設計和計算提供了可靠的依據(jù)。

1 旋啟式止回閥的結構及其工作原理

旋啟式止回閥主要由閥蓋、閥體、閥座、閥瓣、搖臂、閥桿、支架和銷軸等零件組成。閥瓣由搖桿帶動繞銷軸旋轉啟閉，閥座一般采用5°～10°的傾斜密封面，中腔為高壓金屬密封或填料復合型密封，銷軸孔可能發(fā)生外漏，因此，采用了內裝搖臂旋啟式結構。

該閥的設計條件為：公稱通徑DN=150 mm，公稱壓力P=5.42 MPa，最高工作溫度t=250 ℃。

當介質通過旋啟式止回閥時，閥瓣上介質靜壓力與沖量共同作用使閥瓣開啟，介質通過流道，由于閥瓣的阻尼作用，會在閥瓣前、后形成一定的壓力差。在介質沖量與壓力差的共同作用下，閥瓣克服因重力而產(chǎn)生的關閉力矩和銷軸與搖臂之間的旋轉力矩，繼續(xù)做開啟運動，直到搖臂端面與閥體接觸。此時，閥瓣處于動態(tài)平衡狀態(tài)，基本維持在該位置不動。此過程的作用時間非常短暫，一般在0.2 s左右。當意外停泵、壓力減小和流速減慢時，由于關閉力矩大于介質沖量與壓力差的合力矩，導致閥門做關閉運動，但因關閉行程較短，閥瓣關閉迅速到位，流體的回流受到限制，回流速度很慢，進而減小了水錘的破壞力，保護了機械設備和管道。

2 旋啟式止回閥的開啟壓力

對啟閉件（搖臂與閥瓣的組合）進行受力分析，由于閥瓣在開啟過程中受到的液動力較小，因此，在此計算過程中忽略液動力的影響。

閥瓣的受力面積S=0.0254 m2；啟閉件的材料為INCONEL 625；密度ρ=8 400 kg/m3；體積V=852 491.771 9 mm3。因此，其所受重力G=70.23 N。

重力G和氣體壓力F對應的力臂表達式為：

. （1）

由力矩平衡方程可得：

Glg-Flf=0. （2）

將式（2）變換得：

. （3）

則：

. （4）

利用MATLAB仿真軟件繪制的回轉角α與氣體壓力F之間的變化曲線如圖1所示。

圖1 氣體壓力F與回轉角α之間的變化曲線圖

由圖1可看出，隨著回轉角α的不斷增大，氣體壓力F也隨之增大，該曲線類似于對數(shù)函數(shù)的增長方式。當α=83°，即閥的開度為最大時，f（α）有最大值，其值為1.017. 因此，在止回閥完全開啟時，其所需壓力的最大值F=71.424 N，啟閉件實際所受的氣體壓力值F0=1.22×105 N。

綜上所述，止回閥在該工作條件下閥口處于完全開啟狀態(tài)，而止回閥閥口開度最大時所需的壓力差值P0=2 808.21 Pa。

3 數(shù)值模擬及其結果分析

3.1 旋啟式止回閥最大流量的計算

聲音在氧氣內的傳播速度的計算公式為：

. （5）

式（5）中：k為比熱比；R為氣體常數(shù)；T為熱力學溫度。

將具體數(shù)據(jù)代入式（5）中得：C=404.68 m/s。

由已知的峰值流量Q=14 087 Nm3/h可得到最大入口速度v=7.63 m/s，馬赫數(shù)Ma=0.019，該值<0.3，因此，忽略氧氣壓縮性的影響，按不可壓縮流體處理介質。氣體通過薄壁小孔的質量流量公式為：

. （6）

式（6）中：qm為最大流量；A0為過流面積；T1為初始時刻的溫度。

將P1=4.79 MPa、△P=P1-P2代入式（6）得：

. （7）

. （8）

再次利用MATLAB仿真軟件繪制的不同壓力損失下的變化曲線如圖2所示。

圖2 利用MATLAB仿真軟件繪制的不同壓力損失下的變化曲線圖

當? p =0.02 Mpa時，f（△p）達到最大值0.308 9，根據(jù)流體力學原理，最大流量出現(xiàn)在壓力損失最大的時刻；在Fluent中計算得到最大的體積流量qv=0.502 5 m3/s，換算成標準狀況（工業(yè)氣體的標準狀況，即溫度為20 ℃，壓力為0.101 325 MPa）下的體積流量為55 199 Mm3/h。在式（6）中，用有效面積S=0.018 136 64 m2代替P1=4 790 000 Pa、P2=4 770 000 Pa、T1=180 ℃和CA0，計算得到最大質量流量qm=20.94 kg/s，而由仿真計算得到的最大質量流量為qm0=20.85 kg/s。質量流量的誤差變化率為η=0.43%.

由于質量流量計算具有一般性，因此，出現(xiàn)誤差是必然的，但0.43%的誤差變化率在可接受的范圍內。

3.2 不同流量下壓力損失的計算

利用流場仿真軟件Fluent對該旋啟式止回閥全開狀態(tài)下的三維有限元模型進行數(shù)值模擬計算，分別設置了12組不同的入口速度和相同出口壓力的邊界條件。為了提高計算精度，離散格式中選擇二階微分格式。針對網(wǎng)格無關性問題，在保證動網(wǎng)格質量的基礎上，分別對止回閥進行了不同密度的網(wǎng)格劃分，結果證明，不存在實質性差異。

圖3 不同流量下的壓力損失變化曲線圖

由圖3中可看出，在全開狀態(tài)下，該止回閥的壓力損失與不同流量之間的變化曲線呈指數(shù)函數(shù)曲線的形狀增長。當入口流量<15 000 Nm3/h時，隨著流量的增加，壓力損失的變化率逐漸降低；當入口流量>15 000 Nm3/h時，隨著流量的增加，壓力損失的變化率逐漸提高。

3.3 壓力云圖分析

選取標準狀況體積流量為45 198 Nm3/h的入口邊界條件所對應的壓力云圖中，局部的最小壓力值為4.76 MPa，最大壓力值為4.78 MPa，壓力變化范圍為0.02 MPa，局部拐角處的壓力值為4.76 MPa。從入口到閥瓣正下方，壓力云圖保持恒定值；閥瓣正下方出現(xiàn)壓力梯度，靠近閥瓣區(qū)域的壓力最大，遠離閥瓣處的壓力先減小、后增大，但壓力變化幅度不足0.01 MPa；從閥瓣下方到出口處的壓力保持恒定值，經(jīng)閥瓣前方的過渡處后壓力仍保持恒定值，入、出口的最大壓力差值為0.01 MPa；在閥瓣上端，壓力值基本維持在4.77 MPa，而閥瓣下側的壓力值為4.783 087 MPa，大于上側的壓力。因此，閥瓣固定在該位置不動，對流體的流動沒有造成任何影響。

3.4 速度矢量圖分析

體積流量為45 193 Nm3/h下的入口邊界條件所對應的整個流域中速度的最大值為28.3 m/s，最小值為0.006 13 m/s，近似為0.從整個流域看，流體主要在入、出口的通道中流動，雖然閥瓣上側有流體流動，但流動區(qū)域較?。辉陂y座的上、下兩端出現(xiàn)了局部的漩渦區(qū)，但漩渦區(qū)的速度基本為0，不會對閥座造成沖擊影響；由于搖臂與閥體兩端接觸，中間出現(xiàn)了很小的縫隙，閥瓣上側的流量只能從該縫隙中流過，因此，縫隙中的流體流動比較湍急；過渡區(qū)的流速較快，但流動平穩(wěn)，無漩渦現(xiàn)象。

4 結論

通過對啟閉件進行受力分析，并通過求解力矩平衡方程得到了該止回閥達到全開狀態(tài)時所需要的壓力值為2 808 Pa；通過理論計算公式和流場仿真軟件Fluent分別計算了該止回閥在壓力損失最大時所對應的流量值，并經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，兩個流量值的誤差變化率為0.43%，在可接受的范圍之內，驗證了仿真結果的準確性；利用Fluent軟件模擬計算了不同流量下的壓力損失，并繪制了流量壓力損失曲線——該曲線按照指數(shù)函數(shù)曲線的形狀增長，變化率逐漸提高；止回閥在流動過程中并不存在負壓，且最大和最小壓力的差值不超過0.02 MPa，壓力在整個流域中均勻分布，閥瓣下方的壓力明顯大于閥瓣上方的壓力，因此，閥瓣能穩(wěn)定地與閥體接觸，流體主要在入、出口的圓形通道中流動，在閥座的上、下端出現(xiàn)了速度基本為0的漩渦，其對閥體無任何沖擊作用，也基本不存在能量損失，在搖臂與閥體之間的縫隙內出現(xiàn)面積較小的湍流，但整體流動平穩(wěn)。

參考文獻

[1]李樹勛，侯英哲，李連翠.液流旋啟式止回閥關閉動態(tài)特性數(shù)值模擬[J].排灌機械工程學報，2013（04）：335-339.

[2]侯英哲.動態(tài)流量平衡閥優(yōu)化研究及動態(tài)特性分析[D].蘭州：蘭州理工大學，2014.

〔編輯：張思楠〕