基于ANSYS Workbench的直通式截止閥流道的分析

陳 鵬，張 寒，羅 雙，樊學(xué)良，陳廷兵

(1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610106； 2.成都創(chuàng)奇汽車制造有限公司，四川成都611830；3.成都工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

0 引言

直通式截止閥在生活和工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛的運用，其應(yīng)用在流體的控制中耐磨性與密封性較好，開閉容易，易操作，產(chǎn)品的生產(chǎn)難度不高，方便維護(hù)，在中低壓與高壓管道中都可以使用。直通式截止閥工作原理：利用閥桿壓力，讓閥瓣密封面與閥座密封面緊密結(jié)合，阻止流體介質(zhì)在閥道之中流通，同時也可以用來調(diào)節(jié)流體流量的大小。由于截止閥內(nèi)流道液體會對截止閥殼體造成沖擊與腐蝕，所以通過對截止閥內(nèi)部的復(fù)雜流道流場進(jìn)行數(shù)值模擬，分析閥門內(nèi)部流場壓力的特性變化，從中得出流體介質(zhì)會對閥體具體哪一部分造成損傷。

1 研究內(nèi)容

截止閥內(nèi)部的流場數(shù)值研究分析已成為該領(lǐng)域研究的熱點，以我們所建立的截止閥模型為研究對象，選取截止閥在常溫，低壓(PN16)，公稱壓力DN為50的條件下進(jìn)行截止閥內(nèi)部流場的數(shù)值分析。首先要對手動直通式截止閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)上設(shè)計，利用Solidworks進(jìn)行三維建模，然后將其中的流道模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行我們所需要的分析計算。運用其中的Fluent、CFD模塊來模擬通過閥道的介質(zhì)在閥道中所產(chǎn)生的漩渦、水錘等介質(zhì)狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，為介質(zhì)對閥道的沖擊預(yù)測和防范及流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一些理論基礎(chǔ)。

2 直通式截止閥的模型建立

圖1 閥體結(jié)構(gòu)圖

為了更直觀地了解直流式截止閥的結(jié)構(gòu)形式與運動狀態(tài)，為接下來的流場分析提供模型，首先對于我們所設(shè)計直流式截止閥進(jìn)行三維建模，構(gòu)成一個完整的閥體結(jié)構(gòu)。所建立的直通式截止閥模型如圖1。

對直通式截止閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模之后，通過剖面圖可以直觀清晰的了解到截止閥體腔內(nèi)流道的結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)參考裝配體剖面圖，單獨對截止閥體腔內(nèi)流道進(jìn)行三維建模，針對閥瓣的不同開度。分別建立如圖2：直通式截止閥閥瓣的閥開度分別為公稱直徑0%(1 mm)、15%、30%、45%時的四種流道狀態(tài)外部結(jié)構(gòu)相同的三維模型。

圖2 流道外觀圖

3 直流式截止閥流體場分析

3.1 直流式截止閥網(wǎng)格劃分

圖3 直流式截止閥生成的網(wǎng)格

在ANSYS軟件中用來分析流體運動的是Fluent模塊，對直通式截止閥的結(jié)構(gòu)分析不是運用其幾何模型，而是需要對其幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。首先根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸利用SolidWorks三維軟件繪制出該結(jié)構(gòu)的三維模型。然后由幾何模型的外觀形狀來看，在該分析中的網(wǎng)格劃分應(yīng)采用Gambit模塊網(wǎng)格的劃分方式，因為Gambit模塊網(wǎng)格常用在圓或圓弧模型，同時Gambit模塊根據(jù)自己的運算可生成復(fù)雜流道[1]。在網(wǎng)格劃分時，因閥體底部區(qū)域受力較大則需要對底部局部地方進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，故在該區(qū)域的網(wǎng)格劃分相對要密集一些，劃分后的內(nèi)部流場如圖3。

3.2 確定流體邊界條件

分析結(jié)果是否準(zhǔn)確取決于流體邊界條件的設(shè)置。該流體的仿真運用的是Fluent模塊，由于仿真時設(shè)置的流體狀態(tài)是在理想狀態(tài)下。在該閥體中流過的介質(zhì)選用水，其密度為1000 kg/m3，動力黏度設(shè)置為0.001055 kg/ms，公稱壓力為1.6 MPa，流體進(jìn)入的閥體是湍流狀態(tài)，則需要運用k-e模型。入口的速度條件設(shè)置為1.5 m/s，出口為自由出口，壁面條件為靜止壁面[2-3]。

3.3 Fluent計算設(shè)置

首先進(jìn)入Fluent的計算編輯模塊，選擇計算單位，然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，再一個就是設(shè)置求解器，在求解器設(shè)置中需要選擇Pressure-Based(基于壓力法求解器)，使用壓力修正算法，擅長求解不可壓縮流動；在Velocity Formulation中選擇Absolute(絕對速度)；在Time中選擇Steady(穩(wěn)態(tài))。截止閥中的介質(zhì)在里面流動時，由于閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，將會使速度在閥體中有較多的變化，形成湍流。因此，本文選用湍流模型對流體場進(jìn)行分析。而選用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型因為其是湍流模型中應(yīng)用最廣的模型，其具有較高的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和精度[4]。計算結(jié)果如圖4。

圖4 計算結(jié)果的殘差曲線

4 Fluent 流場分析結(jié)果比較

閥體在不同開度情況下所受力不同，且不同的開度在一定條件下也控制著閥體流量的大小，所以要對直通式截止閥的流道進(jìn)行有限元分析，研究閥體流道的具體受力情況，可以從截止閥的壓力圖和流線圖的對比中看出趨勢和規(guī)律。

圖5 壓力圖對比

圖6 流線圖對比

通過對流道的有限元分析可以看出：在閥瓣開啟時，流道所受壓力最大，隨著開度逐漸增加，閥道流速逐漸增加，流道所受力逐漸減小，在開度達(dá)到15%～30%時，流速達(dá)到最大，再繼續(xù)增加開度，對流速的影響可以忽略不計，但通過比較4種狀態(tài)可以看出，閥瓣開度越大，閥瓣上壓力的結(jié)集范圍越小。在流線圖中也可以清晰看出流體在閥體底部形成渦流，流體在流道中的運動路線也可以找到。這為流道的受力分析，流體沖擊的預(yù)測和防范及流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一些基本的理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

對閥體的流道進(jìn)行了簡單的有限元分析，從結(jié)構(gòu)分析中可以看出閥體的進(jìn)出位于同一水平線上，但是流體介質(zhì)在通過閥座時會與該水平線呈現(xiàn)出一定的夾角，這樣會改變介質(zhì)在閥體中的平穩(wěn)狀態(tài)。通過Fluent軟件的分析可以得出在不同開度的情況下介質(zhì)對閥體的壓力，隨著開度的增加對閥道的壓力減小，從而減少了對閥瓣壓力的沖擊，同時通過分析可以得出壓力在閥壁應(yīng)力集中的位置。該結(jié)果可為閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)的支持。