液流旋啟式止回閥閥內(nèi)流場數(shù)值模擬

莫才友 向科峰 李 翔

(1.西南科技大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 四川綿陽 621010； 2.西南科技大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院 四川綿陽 621010)

液流旋啟式止回閥又稱單向閥，其作用主要是防止管路中的流體倒流，引起上游泵機(jī)組的反轉(zhuǎn)，造成泵機(jī)組的燒毀或管路破壞。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、安裝方便等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于化工、石油、核電、自來水等壓力管道輸送中[1]。目前對其研究主要是關(guān)閉時(shí)引起的水擊問題和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面。李樹勛等[2]通過二維模型對液流旋啟式止回閥在關(guān)閉過程中的動態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬；韓文偉等[3]對旋啟式止回閥在關(guān)閉時(shí)的水錘進(jìn)行了研究；曾紅等[4]對旋啟式止回閥的進(jìn)行了流場分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化；張健平等[5]對梭式止回閥與旋啟式止回閥流動特性的數(shù)值模擬已進(jìn)行比較分析，由于旋啟式止回閥不屬于軸對稱結(jié)構(gòu)，采用二維幾何模型分析結(jié)果數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，且采用三維幾何模型對其開啟、關(guān)閉及穩(wěn)定工作時(shí)的振動噪聲研究比較少。流體與自身結(jié)構(gòu)對閥門引起振動、噪聲、水擊等問題起到密不可分的作用[6-7]。本文從旋啟式止回閥自身入手，對止回閥的整個(gè)工作過程進(jìn)行模擬，進(jìn)而通過閥內(nèi)流場的速度場、壓力場、閥瓣運(yùn)動特性進(jìn)行數(shù)值仿真，分析振動噪聲產(chǎn)生的機(jī)制。文中根據(jù)旋啟式止回閥的運(yùn)動特點(diǎn)，建立閥瓣運(yùn)動模型與三維幾何模型，采用計(jì)算流體力學(xué)軟件ADINA8.9的CFD模塊對液流旋啟式止回閥開啟、穩(wěn)定、關(guān)閉整個(gè)過程中閥瓣的運(yùn)動特性和閥內(nèi)流場進(jìn)行數(shù)值模擬并實(shí)現(xiàn)可視化，為液流旋啟式止回閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

1 旋啟式止回閥工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

旋啟式止回閥的結(jié)構(gòu)簡單，主要是通過壓緊螺母將閥瓣與搖桿固定，使搖桿繞一支點(diǎn)自由旋轉(zhuǎn)。其工作原理主要是利用流體對閥瓣產(chǎn)生的沖擊力使閥瓣打開，閥瓣處于懸浮狀態(tài)，流道暢通；當(dāng)上游流體對閥瓣的作用力小于閥瓣自重時(shí)，閥瓣依靠自身重力關(guān)閉通口，防止流體倒流[8]。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

2 模型建立及參數(shù)設(shè)置

2.1 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

考慮到旋啟式止回閥自身結(jié)構(gòu)的特殊性與ADINA軟件建模的復(fù)雜性，利用CATIA軟件進(jìn)行參數(shù)化3D建模，并通過IGES數(shù)據(jù)接口將模型導(dǎo)入ADINA8.9中，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其流體與閥瓣模型網(wǎng)格劃分如圖2和圖3所示。

圖1 旋啟式止回閥結(jié)構(gòu)原理圖Fig. 1 Schematic diagram of swing check valve structure

圖2 流場網(wǎng)格模型Fig. 2 Grid model of flow field

圖3 閥瓣網(wǎng)格模型Fig. 3 Mesh model of disc

2.2 數(shù)學(xué)模型

2.2.1 基本控制方程

旋啟式止回閥由閥瓣和流體所組成的流固耦合系統(tǒng)，應(yīng)遵循動量與能量守恒原則，因此在流固耦合交界面處，應(yīng)滿足流體與閥瓣應(yīng)力τ、位移d、熱流量q、溫度T等變量的守恒或相等[9]。

(1)

在閥門內(nèi)部的流固耦合系統(tǒng)中，定義在閥瓣和內(nèi)部流體結(jié)構(gòu)點(diǎn)上的解向量記為Xs和Xf，耦合解向量為X=(Xf,Xs)，另ds=ds(Xs),τf=τf(Xf)，因此閥瓣與流體相互作用下的耦合有限元方程可以表示為：

(2)

其中，F(xiàn)f和Fs分別是與流體和結(jié)構(gòu)相應(yīng)的有限元方程，F(xiàn)f[Xf,0]=0，F(xiàn)s[Xs,0]=0

2.2.2 閥瓣運(yùn)動模型

液流旋啟式止回閥工作時(shí)，閥瓣主要受流體液動力、浮力、自身重力以及閥瓣與閥座之間的支撐力和摩擦力的共同作用。根據(jù)牛頓第二定律，主要分析閥瓣在關(guān)閉時(shí)的運(yùn)動特性，方程可表示為[10-12]：

(3)

2.3 參數(shù)設(shè)置

假設(shè)0～0.1 s內(nèi)入口壓力從0.1 MPa線性遞增至0.14 MPa，0.1～0.6 s為0.14 MPa，0.6～0.7 s線性遞減至0.1 MPa，出口背壓為0.1 MPa，閥瓣自重10 N，最大旋起角度為80°；采用標(biāo)準(zhǔn)湍流κ-ε模型，閥體內(nèi)壁為WALL，閥瓣邊界為FSI；流體介質(zhì)為水，且為不可壓縮常參數(shù)模型，密度為1.0×103kg/m3，黏度為0.001 003 Pa·s，體積模量為1×1020，閥體材料為鋼，閥瓣材料為各向同性線彈性材料，彈性模量2.07×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，迭代步數(shù)為500步。進(jìn)口壓力隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

取旋啟式止回閥在YZ平面上的剖切面MESHPLOT0001，分析在開啟階段、穩(wěn)定階段以及關(guān)閉階段不同時(shí)刻的速度矢量圖與壓力云圖，并作出閥瓣在3個(gè)階段的速度變化曲線，得出其運(yùn)動規(guī)律。

圖4 進(jìn)口壓力隨時(shí)間變化曲線Fig. 4 Variation curve of inlet pressure over time

3.1 開啟階段

閥瓣完全開啟時(shí)間為0.22 s，取開啟階段t=0.05 s 與0.1 s兩個(gè)時(shí)刻的速度矢量圖與壓力云圖如圖5所示，流體速度較大區(qū)域位于閥瓣四周縫隙處，最大流速隨著進(jìn)口壓力的線性遞增不斷增加，并以射流的形式向出口噴出，閥瓣背部由于閥瓣四周受液體包裹，瞬時(shí)間無流體填充，形成局部真空，但隨著閥瓣的不斷旋起開度逐漸增大，壓縮真空區(qū)域逐漸減小，直至流體完全填充真空區(qū)域，氣穴破滅成許多小的氣泡隨液體流出，產(chǎn)生噪聲。又由于從左到右壓力梯度不斷增加，閥瓣前端壓力明顯高于背端，又因閥體結(jié)構(gòu)不對稱造成流場壓力分布不均，易造成振動和噪聲。

3.2 穩(wěn)定階段

穩(wěn)定階段是指閥瓣完全旋起，流體流動情況幾乎不會隨著時(shí)間的推移發(fā)生改變。取穩(wěn)定工作階段某一時(shí)刻的流場分布情況作分析，圖6為穩(wěn)定階段t=0.4 s 時(shí)的速度矢量圖與壓力云圖，當(dāng)止回閥閥瓣完全開啟，由于止回閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)通流截面積略大于管道截面積，致使流體在閥門內(nèi)部的運(yùn)動速度相比管道流速要小，閥門出口處流體最大流速為20.26 m/s，產(chǎn)生的渦動噪聲相比開啟階段明顯減弱，在穩(wěn)定工作階段閥門的振動噪聲顯著降低，管道通暢性最佳；止回閥內(nèi)部進(jìn)口端壓力大于出口端壓力，由于閥瓣以及閥體內(nèi)壁呈凹狀且受流體沖擊導(dǎo)致壓力最大分布區(qū)域位于止回閥底部靠閥門出口一端，最大值為195 435 Pa。

圖5 開啟階段速度矢量圖與壓力云圖Fig. 5 Velocity vector diagram and pressure cloud diagram at the opening stage

圖6 穩(wěn)定階段速度矢量圖與壓力云圖Fig. 6 Velocity vector diagram and pressure cloud diagram in stable stage

3.3 關(guān)閉階段

當(dāng)進(jìn)口端壓力逐漸消失，閥瓣因自重逐漸關(guān)閉閥口，即關(guān)閉階段。由于關(guān)閉階段流體作用力幾乎不存在，在兩端均為大氣壓力的作用下，由于止回閥在此階段沒有受到泵等其它動力元件的作用，閥瓣在自身重力作用下逐漸關(guān)閉閥口，整個(gè)關(guān)閉時(shí)間為0.45 s，較開啟階段持續(xù)時(shí)間更長，取關(guān)閉階段t=0.75 s與t=1.15 s 兩個(gè)時(shí)刻的速度矢量圖與壓力云圖進(jìn)行分析(如圖7所示)。t=0.75 s時(shí)流體速度與壓力變化較穩(wěn)定階段變化不明顯，但t=1.15 s時(shí)可看出，在閥門出口處與閥門內(nèi)部頂端形成了兩個(gè)較大的漩渦，形成氣穴，出口處更明顯，但隨著流體的進(jìn)一步流失，失去流體的包裹，氣穴與大氣融合，逐漸消失。此時(shí)刻，最大流速位于管壁處，為 5.538 m/s，隨著開度不斷減小，渦動尺度遞增，渦流壓差增大。

圖7 關(guān)閉階段速度矢量圖與壓力云圖Fig. 7 Velocity vector diagram and pressure cloud diagram

3.4 閥瓣運(yùn)動分析

因閥瓣在分析過程中屬于剛體，不會受外力的作用而發(fā)生變化，因此取閥瓣末端軸線上的節(jié)點(diǎn)54進(jìn)行分析，得出閥瓣在開啟、穩(wěn)定、關(guān)閉階段的運(yùn)動規(guī)律，圖8為閥瓣在3個(gè)階段的速度變化曲線。開啟階段：隨著進(jìn)口壓力線性遞增，閥瓣運(yùn)動速度快速增加，但在0.06～0.1 s階段，由于閥瓣旋起開度陡然增大，流量增大，對閥瓣在軸向上的沖擊作用力降低，閥瓣運(yùn)動速度有一個(gè)相對降低的過程，之后又由于進(jìn)口壓力的進(jìn)一步增大，閥瓣運(yùn)動速度呈遞增趨勢；穩(wěn)定階段：閥瓣位于最大開度位置，閥瓣靜止，速度為零；關(guān)閉階段：由于進(jìn)口壓力線性遞減至零，閥瓣在自身重力作用下逐漸關(guān)閉閥口，相比開啟階段速度明顯偏低，時(shí)間延長，閥瓣的關(guān)閉造成后端流體回流，撞擊閥瓣，產(chǎn)生振動與噪聲。

圖8 閥瓣運(yùn)動速度曲線Fig. 8 Velocity curve of disc movement

4 結(jié)論

對液流旋啟式止回閥內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，并將開啟、穩(wěn)定、關(guān)閉完整的動作過程結(jié)合在一起進(jìn)行模擬，體現(xiàn)出整個(gè)過程的完整性與數(shù)據(jù)真實(shí)性?？梢悦黠@觀察閥內(nèi)流體在整個(gè)過程中的流動情況以及壓力分布情況，以及閥瓣運(yùn)動規(guī)律，可視化結(jié)果為研究液流旋啟式止回閥在實(shí)際工況下的振動、噪聲、渦動以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)與數(shù)據(jù)參考。

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