WORKBENCH對旋啟式止回閥流體分析的研究

汪小峰，雷鵬，馮立斌

（英諾威閥業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244121）

WORKBENCH對旋啟式止回閥流體分析的研究

汪小峰，雷鵬，馮立斌

（英諾威閥業(yè)有限公司，安徽 銅陵 244121）

流動特性及相應(yīng)參數(shù)對旋啟式止回閥的應(yīng)用研究作用大，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD），結(jié)合FLUENT軟件，對旋啟式止回閥進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出止回閥內(nèi)流體的速度分布、壓力分布等流動特性參數(shù)。

旋啟式；止回閥；流動特性

旋啟式止回閥又叫做單向閥或者逆止閥，主要作用是防止管路中的介質(zhì)倒流，防止事故發(fā)生。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的止回閥管路來說，流體流動特性對于閥門的使用情況會產(chǎn)生一定的影響，因此對止回閥內(nèi)流體流動的分析模擬計(jì)算非常重要。

利用CAE分析方法對工程相關(guān)的流體流動進(jìn)行仿真分析計(jì)算，已經(jīng)成為一種重要的分析研究方法，仿真計(jì)算可以縮短整體試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程，減少成本，是智能化設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，近年來得到了廣泛的研究和應(yīng)用。

1 建模基礎(chǔ)

流體有限元計(jì)算的理論基礎(chǔ)是三大方程，分別是連續(xù)性方程、能量方程和動量方程，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的流體力學(xué)叫做計(jì)算流體力學(xué)（CFD），也就是利用計(jì)算機(jī)為終端，利用程序模擬手段，讓各種復(fù)雜的流體問題進(jìn)行離散化求解。

Ansys Fluent是非常著名的CFD計(jì)算軟件，在計(jì)算過程中，首先需要進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立，對研究的止回閥模型進(jìn)行物理建模，進(jìn)行計(jì)算前的分析假設(shè)，首先需要考慮各類邊界條件，是無粘流動還是粘性流動，是可壓縮流體還是不可壓縮流體，還要考慮是否為非定常流動，有旋或者無旋以及層流湍流情況，在計(jì)算前期，還要對研究的流體實(shí)體進(jìn)行CAD模型的建立、模型導(dǎo)入以及微小處理。

流體的任何流動都需要滿足連續(xù)方程和運(yùn)動微分方程組，還包括能量方程、狀態(tài)方程、密度方程等。在封閉方程組的前提下，為了能夠得到確定解，還必須給出相應(yīng)的定解條件，所設(shè)置的起始條件和邊界條件均不同，而且在空間上任何邊界的設(shè)置都必須滿足邊界條件的收斂情況。實(shí)際流體中，流體流動多為湍流，而商用軟件內(nèi)部植入了豐富的湍流模型用于計(jì)算分析。

網(wǎng)格的劃分在數(shù)值模擬的過程中至關(guān)重要，工程上的問題多發(fā)生在復(fù)雜的區(qū)域內(nèi)，不規(guī)則區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的生成也是計(jì)算流體力學(xué)中一個非常重要的分支。網(wǎng)格質(zhì)量對數(shù)值計(jì)算結(jié)果的影響十分巨大，在流體計(jì)算中，非結(jié)構(gòu)化和混合網(wǎng)格的使用最為頻繁。

在CFD計(jì)算過程中，需要把N-S偏微分方程轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)劃分后各個節(jié)點(diǎn)的代數(shù)方程，該方程主包含該節(jié)點(diǎn)及附近節(jié)點(diǎn)上所顯示的函數(shù)值，形成離散方程組。離散方程組用于對連續(xù)問題的求解，讓無限自由度轉(zhuǎn)化為有限自由度從而得到相應(yīng)的結(jié)果。

2 計(jì)算過程

首先進(jìn)行計(jì)算的條件設(shè)置，采用不可壓縮流動的雷諾時均方程組，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型；計(jì)算過程中，所有方程中的對流項(xiàng)均用二階迎風(fēng)格式離散，離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法（SMPLE算法）。設(shè)置管壁粗糙度等數(shù)值，并將連續(xù)性方程和動量方程收斂殘差標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-4，提高計(jì)算精確度，開度從6～60，共10個變化區(qū)間。

此次分析過程中均將入口條件設(shè)置為質(zhì)量流入口邊界條件，出口條件為自由邊界。

設(shè)置旋啟式止回閥內(nèi)部流動介質(zhì)為水（軟件默認(rèn)水的狀態(tài)為20℃），為了簡化計(jì)算，選擇流動模型為單相流體不可壓縮三維粘性流動，采用不可壓縮流動的雷諾方程與κ-ε湍流模型構(gòu)成封閉的方程來求解。

在創(chuàng)建流體分析用計(jì)算域模型時，緊緊結(jié)合JB/ T5296-91標(biāo)準(zhǔn)，取止回閥及其前部管道L1=5D為管道直徑與其后部管道為L2=10D一同作為計(jì)算域，網(wǎng)格劃分采用了非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格技術(shù)以及自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，以保證網(wǎng)格質(zhì)量，閥門模型部分區(qū)域進(jìn)行了加密處理，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，如圖1所示為本文模型的部分網(wǎng)格劃分情況。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖1 管道模型網(wǎng)格劃分

FLUENT的后處理模塊可以對計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)非常直觀的現(xiàn)實(shí)，求解過程完成之后，進(jìn)入軟件后處理模塊，得到相應(yīng)的結(jié)果。開度為6°時的速度分布云圖以及壓力分布云圖如圖2、3。

圖2 開度6°速度云圖

圖3 開度6°壓力云圖

由圖可知，在開度較小的情況下，壓力損失主要形成在密封面處，介質(zhì)流速增大，而大部分的介質(zhì)是從密封面間隙的下側(cè)通過閥門。

隨著開度逐漸增大以及入口邊界條件流量的增大，大部分介質(zhì)主要是通過密封面的下側(cè)間隙，閥腔的下側(cè)表面易受到?jīng)_刷。而有所區(qū)別的是在閥座的上端出現(xiàn)了高壓區(qū)，這個高壓區(qū)的形成容易對閥座的密封面造成損壞。由計(jì)算結(jié)果可知，隨著開度的進(jìn)一步增大，流體速度在閥內(nèi)中下部最大，速度達(dá)到邊界定點(diǎn)，而隨著流體速度的增大，相應(yīng)位置處的壓力則減小，可知速度和壓力的結(jié)果呈現(xiàn)相反趨勢。

4 計(jì)算旋啟式止回閥特性參數(shù)

計(jì)算結(jié)果不僅可以得到整個流體計(jì)算域的速度、壓力情況，根據(jù)入口壓力的大小，可以得到不同開度下入口和出口的壓差值，結(jié)合FLUENT軟件進(jìn)行特性參數(shù)與計(jì)算，根據(jù)JB/T5296-91標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步計(jì)算出流量系數(shù)Kv值與流阻系數(shù)K值。得到的分析結(jié)果制如圖4。

圖4 不同開度下的Kv和K值

由結(jié)果可知，在不同的開度下，流量系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢，但變化切度呈現(xiàn)降低趨勢，而相對來說，流阻系數(shù)則呈現(xiàn)降低趨勢，隨著開度的增加，下降切度呈現(xiàn)變小趨勢。

5 結(jié)語

CAE分析計(jì)算對工程應(yīng)用有著重要的作用，旋啟式止回閥作為重要的機(jī)械部件，未來的研究會更加倚重前期的設(shè)計(jì)計(jì)算，通過對不同開度下的止回閥流動特性計(jì)算，得出相應(yīng)的速度、壓力結(jié)果，結(jié)合輸出計(jì)算，得到不同開度下的流阻系數(shù)、流量系數(shù)，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果為未來更智能化的止回閥設(shè)計(jì)提供了思路。

[1]包玉霞,趙全成．旋啟式止回閥全開狀態(tài)下的數(shù)值模擬[J]．科技與創(chuàng)新，2015．18．

[2]王宏偉,劉小兵,劉德民．球形止回閥的CFD分析[J]．流體傳動與控制，2009．2．

[3] JB/T5296-91，通用閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗(yàn)方法[S]．

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1671-0711（2017）08（下）-0154-02