不同彈簧剛度系數(shù)下單向閥關(guān)閉過程仿真

鄒 亮，胡光忠，文華斌，徐新建，蒲 凡

不同彈簧剛度系數(shù)下單向閥關(guān)閉過程仿真

鄒 亮，胡光忠，文華斌，徐新建，蒲 凡

(四川理工學(xué)院，四川自貢 643000)

針對現(xiàn)有單向閥在不同彈簧剛度下瞬態(tài)關(guān)閉仿真分析的不足，本文利用FLUENT軟件中動網(wǎng)格技術(shù)對單向閥關(guān)閉過程進行數(shù)值仿真，得到了在不同彈簧剛度系數(shù)作用下，閥芯的關(guān)閉速度，關(guān)閉的總時間以及閥芯前后的壓差情況。分析結(jié)果表明：當(dāng)入口壓力一定時，彈簧剛度系數(shù)越大則關(guān)閉越快，關(guān)閉時間越短，閥后產(chǎn)生的壓差越大，當(dāng)彈簧剛度系數(shù)一定時，閥芯的速度先增加后減小，最終速度減小到零。該仿真對合理選擇單向閥的彈簧剛度具有一定的指導(dǎo)意義。

計算流體力學(xué)；動網(wǎng)格；彈簧剛度；流場特性

1 前言

單向閥主要由彈簧、閥芯和密封口等部件構(gòu)成。當(dāng)上游壓力高于下游壓力一定值時，閥門開啟；當(dāng)下游壓力高于上游壓力一定值時，閥門關(guān)閉。根據(jù)單向閥只允許流體介質(zhì)沿一個方向流動的特點，在石油、化工、核工業(yè)、水電等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。同時，流體流經(jīng)閥芯時，與閥芯之間的相互作用問題為流固耦合振動問題［1，2］。在開啟或關(guān)閉過程中，閥芯周圍的流場變化劇烈，由此產(chǎn)生的水擊壓力是不容忽視的，此問題吸引了廣大學(xué)者的興趣，這使得單向閥的設(shè)計及應(yīng)用都得到了極大的發(fā)展。文獻［3～5］動態(tài)模擬了單向閥在不同彈簧剛度系數(shù)時的開啟過程，得到了開啟過程中閥芯的位移及運動規(guī)律。文獻［6］根據(jù)非線性彈簧質(zhì)量系統(tǒng)相關(guān)理論建立了氣體介質(zhì)單向閥的數(shù)學(xué)模型，對單向閥充氣共振現(xiàn)象進行了分析，得到了不同閥門在不同開度下的流場分布。文獻［7～9］研究了單向閥作為配流閥時，彈簧剛度系數(shù)與預(yù)緊力的關(guān)系，得到了單向閥開啟時閥芯的運動曲線呈紡錘形。文獻［10，11］采用試驗方法研究了單向閥關(guān)閉時的密封性能，得到了彈簧剛度系數(shù)是影響單向閥密封錐座蠕變變形重要原因。單向閥關(guān)閉時要求反向的泄漏率要小，關(guān)閉速度要適中，閉合時可靠性高，且無振動、沖擊或噪聲，其中單向閥無振動、沖擊或噪聲是單向閥的重要性能要求之一［12］。影響單向閥這一性能的主要因素之一就是單向閥的彈簧剛度，當(dāng)彈簧剛度設(shè)計不合理時，可能導(dǎo)致單向閥發(fā)生喘振、關(guān)閉滯后等現(xiàn)象?；诖吮疚牟捎肍luent軟件的動網(wǎng)格技術(shù)，對不同彈簧剛度系數(shù)下的單向閥的關(guān)閉過程進行了仿真，其結(jié)果可為單向閥的彈簧剛度設(shè)計提供依據(jù)。

2 單向閥模型的建立

2.1 單向閥流道的幾何模型

單向閥的基本結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。流體流經(jīng)單向閥時，其流道為軸對稱的，為減少計算工作量，將流道簡化為二維對稱模型，并將模型分為網(wǎng)格運動區(qū)域與網(wǎng)格靜止區(qū)域兩個部分，通過建立交界面（in terface）進行對接，如圖1（b）所示。單向閥的主要結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖1 單向閥模型

表1 單向閥主要結(jié)構(gòu)尺寸

2.2 網(wǎng)格劃分

采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行離散，如圖2所示。由于閉合過程中，閥芯的位置是運動的，須采用動網(wǎng)格計算進行模擬，因此將流體區(qū)域分為兩個部分，即網(wǎng)格變化區(qū)域與網(wǎng)格靜止區(qū)域。其中分界線右方為網(wǎng)格變化區(qū)域，其余區(qū)域為靜止區(qū)域。

圖2 流道網(wǎng)格

2.3 流體計算假設(shè)及邊界條件

不考慮管內(nèi)流體的壓縮性，假設(shè)為牛頓流體。單向閥在關(guān)閉過程中閥口處速度較大，為高雷諾數(shù)湍流,故采用經(jīng)典的標準k-ε湍流模型。計算方法采用簡單SIMPLE方法計算，以及標準的壁面函數(shù)法。單向閥在關(guān)閉過程中，須保證上游進口壓力恒定，設(shè)置進口壓力為0.1MPa，出口壓力為0，由于關(guān)閉時間較短，設(shè)置時間步長為0.001s。

2.4 動網(wǎng)格技術(shù)及閥芯運動方程

動網(wǎng)格的更新主要有以下3種方式:彈簧近似光滑法(sp ring-basedsm oothing)、動態(tài)分層法(dynam iclayering)和局部網(wǎng)格重劃法(localrem eshing)［13］。由于單向閥運動的方向可近似看作是直線運動，所以本文選定動態(tài)分層法。小開度下閥芯前端部分壓力與速度變化相對較大，所以對閥芯前部必須進行網(wǎng)格細化。任意控制體上標量的積分形式的守恒方程為：

式中ρ ——流體密度

u ——流體的流速向量

ug——動網(wǎng)格的速度向量

?！獢U散系數(shù)

A——控制體的面積向量

式中m——閥芯質(zhì)量

C——阻尼系數(shù)

k——彈簧剛度

Fn——閥芯所受的瞬態(tài)壓力，并隨閥芯開度而變化

假設(shè)單向閥中彈簧受力為水平受力，與流體的液動力方向一致，且閥芯運動方向為單一的水平方向。閥芯開啟與關(guān)閉，2種情況液動力大小均與開度x成正比，彈簧的比例系數(shù)與進出口壓差有關(guān)。

由牛頓第二定理:

當(dāng)設(shè)定的時間步長dt足夠小時，閥芯在dt時間內(nèi)可認為是勻速運動。假設(shè)當(dāng)前時刻閥芯的速度為V0，閥芯的位置為S0，則在dt時刻的末速度為V1，閥芯的位移S=S0+V0+dt。閥芯所受到的流體壓力Fn=網(wǎng)格的面積A乘以每個網(wǎng)格的壓力得到，閥芯所受到彈簧彈力由ud f函數(shù)編譯實現(xiàn)。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 關(guān)閉位移時間關(guān)系

在安裝長度不變的情況下,通過對剛度系數(shù)分別為1100，1000，900的情況進行數(shù)值仿真，得到了剛度系數(shù)與閥芯位移關(guān)系,如圖3所示。從圖中可以看出，隨著彈簧剛度系數(shù)的增大,閥芯關(guān)閉過程中到達閥座處和達到平衡位置處所用時間逐漸減小。在關(guān)閉過程中，彈簧剛度系數(shù)相對較大的閥芯關(guān)閉速度相對較快。在一定范圍內(nèi)減小單向閥的彈簧剛度，起到延長關(guān)閥時間的作用。

圖3 剛度系數(shù)與閥芯位置關(guān)系

由圖4可知，隨著彈簧剛度系數(shù)的增加,單向閥穩(wěn)定時進口和出口之間壓差線性遞增。合理選擇單向閥的彈簧剛度組合對閥體的壽命意義重大。在關(guān)閉過程中應(yīng)嚴格控制單向閥的關(guān)閉速度，這是由于單向閥的關(guān)閉速度和單向閥的質(zhì)量形成的動能有關(guān)，如果關(guān)閉壓差過大，在關(guān)閉的瞬間單向閥的動能來不及損耗，就會對閥座產(chǎn)生碰撞作用。由于單向閥閥芯的質(zhì)量一定，當(dāng)單向閥關(guān)閉時速度越大，單向閥閥芯對閥座的沖擊能量就越大，對單向閥造成的失效速度也就越大。

圖4 進口和出口之間壓差與勁度系數(shù)關(guān)系

單向閥的閥芯在關(guān)閉過程中主要受到流體壓力、彈簧彈力、穩(wěn)態(tài)流體液動力、粘性阻力、慣性力和瞬態(tài)流體動力等，而閥芯在靜態(tài)平衡點,即穩(wěn)態(tài)時受到的主要作用力是：彈簧彈力、穩(wěn)態(tài)流體液動力，且達到靜力平衡狀態(tài)。

3.2 閥芯關(guān)閉速度

從圖5中可以看出，單向閥閥芯在開啟前0.006s運動較大，大約在0.006s時速度達到最大，在0.006s之后開度減小，由于流體的慣性，閥門不能及時關(guān)閉，最終趨于穩(wěn)定。

圖5 單向閥關(guān)閉時閥芯運動速度

3.3 流場分析

從圖6可以看出，當(dāng)進出口壓差一定時，單向閥在不同彈簧剛度系數(shù)情況下，閥芯前后壓強差隨單向閥的彈簧剛度系數(shù)增加而增加。當(dāng)彈簧剛度越大時，關(guān)閉時速度減小太快，導(dǎo)致閥芯動量突然減小，閥芯前段壓強將迅速增大，同時管道中流體連續(xù)性被中斷，最終導(dǎo)致閥芯后端出現(xiàn)負壓。通過降低單向閥的彈簧剛度系數(shù)，能有效地降低閥芯后端的負壓區(qū)域。在單向閥到達閥座附近時，閥芯后將出現(xiàn)射流現(xiàn)象,流體的速度增大、壓力降低，產(chǎn)生喉口效應(yīng)。

圖6 不同彈簧剛度下單向閥壓力云圖

由于單向閥彈簧剛度增加后，關(guān)閉時間相對減小，閥門關(guān)閉速度也隨之加快，最后導(dǎo)致產(chǎn)生的閥芯前后壓力差也隨之增大。閥瓣左側(cè)為高壓區(qū)，右側(cè)為低壓區(qū)。次此保證閥門一直處在關(guān)閉狀態(tài)。若單向閥關(guān)閉過快，在來自進口的反向波到達管末端前，閥門已關(guān)閉，管末端水擊只受正向波影響，此壓力過程稱為直接水擊。在來自進口的反向波到達管末端前，閥門尚未關(guān)閉，這時水擊是由閥門處產(chǎn)生的正向波和從上游來的反向波疊加而成，此壓力過程稱為間接水擊。根據(jù)GB/T20801((壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》一般不超過5MPa就可以認為是安全的，由圖6可知，3種不同剛度彈簧情況下，單向閥都處于安全狀態(tài)。

3.4 彈簧剛度與壓差關(guān)系

由表2可知，單向閥關(guān)閉過程:在彈簧剛度一定下，當(dāng)單向閥閥芯受到的上游流體液動力小于彈簧的反向作用力,單向閥開始關(guān)閉,隨著閥芯的不斷向左移動,其受到的彈簧作用力逐漸增小,與此同時受到的上游液體水作用力逐漸增大，當(dāng)閥芯移動到某一位置兩力平衡,但由于閥芯還有速度,會繼續(xù)關(guān)閉,接著做減速運動。當(dāng)閥芯速度降到零時,閥芯達到最大位置,接著反向做加速運動,某一時刻又達到一個受力平衡點,然后繼續(xù)運動到速度為零點,達到最小位置處。接著閥芯又在合力作用下加速開啟,如此反復(fù)幾次后最終達到平衡。單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)時，彈簧力產(chǎn)生的密封比壓較小，不足以使單向閥嚴格密封而致使單向閥泄漏率增大。除此以外，普通硬密封單向閥,由于主、副密封件往往采用銅質(zhì)材料,對水質(zhì)有一定的污染，且一旦磨損或損壞,現(xiàn)場很難修復(fù),同時流通面積較小,水頭損失較大。普通軟密封單向閥,雖然關(guān)閉時能減少回擊聲,減少水擊,但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,需設(shè)置閥桿和彈簧,利用彈簧的作用,使閥桿動作,從而開啟與關(guān)閉閥門,這種閥門在實際運行中常出現(xiàn)臟物卡住彈簧和密封不嚴等現(xiàn)象。

表2 不同彈簧剛度下完全關(guān)閉時壓差

4 結(jié)論

（1）采用FLUENT軟件中的動網(wǎng)格對不同彈簧勁度單向閥關(guān)閉特性的模擬，相對于穩(wěn)態(tài)模擬，更清晰地模擬出關(guān)閉時的閥芯位移，移動速度與關(guān)閉時間的關(guān)系，確定了壓差與彈簧剛度的關(guān)系。

（2）通過研究不同的彈簧剛度系數(shù)，得出剛度系數(shù)與閥芯后端出現(xiàn)負壓區(qū)域大小有關(guān)。

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Effect of Spring Stiffness Coefficient on the Performance of One Way Valve Closed

ZOU Liang，HU Guang-zhong，WEN Hua-bin，XU Xin-jian，PU Fan
(Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 64300，China)

Aiming at the shortcomings of the transient analysis of the existing one - way valve under different spring stiffness.The closing process of the check valve is analyzed by the numerical simulation through Fluent dynamic meshing technique. The closing speed, the total closing time and the differential pressure between the front and back of the spool are obtained under different spring rate coefficients. The results show: When the inlet pressure is constant, the greater the spring stiffness coefficient is, the faster the closure;the shorter the closing time, the greater the pressure generated after closing the valve. When the spring stiffness coefficient is constant, the spool speed increases first and then decreases, and the final velocity decreases to zero. This simulation has a certain significance for choosing the reasonable selection of the spring stiffness of the check valve.Key words: computational fluid dynamics；moving grid；spring stiffness；flow characteristics

TH138；TK7

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.11.009

1005-0329（2017）11-0047-04

2016-10-24

2017-05-19

國家自然科學(xué)基金資助項目（51275432）；四川理工學(xué)院人才引進項目（2012RC19）

鄒亮（1992-），男，碩士研究生，主要從事流體機械方面工作，通訊地址：643000四川自貢市自流井區(qū)學(xué)苑街四川理工學(xué)院機械工程學(xué)院，E-m ail：13198202003@163.com。