軸流式止回閥的數(shù)值模擬及減阻優(yōu)化

何東亭 許世法 尹 洋

（1.西華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610039；2.成高閥門(mén)有限公司，成都 610031）

軸流式止回閥具有運(yùn)行平穩(wěn)、流阻小、水擊壓力小、噪聲低、密封性好以及介質(zhì)壓力變化響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于油氣運(yùn)輸[1]。設(shè)計(jì)使用部門(mén)在為工藝流程選用管網(wǎng)動(dòng)力設(shè)備和核算能耗時(shí)，均以閥門(mén)的流體阻力系數(shù)作為壓力損失的計(jì)算參數(shù)。此外，制造部門(mén)將閥門(mén)的阻力系數(shù)作為改進(jìn)閥門(mén)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)節(jié)能產(chǎn)品的重要依據(jù)[2]。因此，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)閥門(mén)時(shí)要盡可能降低閥門(mén)的流阻系數(shù)。本文以NPS10 Class1500軸流式止回閥的流道形狀為研究對(duì)象，將流道形狀參數(shù)化，利用Fluent軟件，結(jié)合響應(yīng)面優(yōu)化法，對(duì)軸流式止回閥流道形狀進(jìn)行優(yōu)化，得出相對(duì)于傳統(tǒng)軸流式止回閥具有更小流阻系數(shù)的新型軸流式止回閥流道形狀，并以此提出一種方便簡(jiǎn)單、高效的優(yōu)化方法，同時(shí)運(yùn)用到實(shí)際的閥門(mén)設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，降低了閥門(mén)企業(yè)的設(shè)計(jì)周期和開(kāi)發(fā)成本。

1 優(yōu)化方法及流程

軸流式止回閥流道形狀由閥體和閥瓣的多段結(jié)構(gòu)曲線(xiàn)決定。這些圓弧曲線(xiàn)半徑即優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。響應(yīng)面分析法即響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)方法（Response Surface Methodology，RSM），是利用合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，利用對(duì)回歸方程的分析來(lái)尋求最優(yōu)參數(shù)，從而解決多變量問(wèn)題的一種統(tǒng)計(jì)方法。選擇響應(yīng)面優(yōu)化法中的Optimal Space-Filling Design響應(yīng)面設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)類(lèi)型和Kriging[3]響應(yīng)面類(lèi)型，在設(shè)計(jì)變量的取值范圍內(nèi)均勻取值，避免隨機(jī)誤差的存在。

優(yōu)化流程主要包括流阻系數(shù)分析和優(yōu)化分析，如圖1所示。首先，將軸流式止回閥水體模型簡(jiǎn)化為二維模型，并用Fulent軟件對(duì)待優(yōu)化的軸流式止回閥進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，得出閥門(mén)凈壓差，并計(jì)算優(yōu)化前軸流式止回閥的流阻系數(shù)。其次，將軸流式止回閥流道模型參數(shù)化，采用響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行優(yōu)化分析。最后，用Fulent軟件對(duì)優(yōu)化后的軸流式止回閥進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，并計(jì)算出流阻系數(shù)，再對(duì)比優(yōu)化前后的流阻系數(shù)，以判斷優(yōu)化是否成功。

2 優(yōu)化前流阻系數(shù)數(shù)值模擬

按照《閥門(mén) 流量流阻系數(shù)和流阻系數(shù)實(shí)驗(yàn)方法》[4]對(duì)軸流式止回閥的流阻系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出軸流式止回閥的凈壓差和平均流速。按流阻系數(shù)ζ的計(jì)算公式，計(jì)算出軸流式止回閥的流阻系數(shù)。

圖1 優(yōu)化流程

流阻系數(shù)ζ為：

式中：?pV為軸流式止回閥的凈壓差，單位為kPa；V為軸流式止回閥內(nèi)的平均流速，單位為m·s-1；ρ為水的密度，單位為 kg·m-3。

實(shí)際軸流式止回閥三維模型數(shù)值模擬計(jì)算量太大，因此將三維模型簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱(chēng)的二維模型，如圖2所示。選用Fluent軟件里的k-ε模型對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬[5]。流體介質(zhì)為水，密度為 998.2 kg·m-3，動(dòng)力黏度為 0.001 003 N·s·m-2。一共進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)，進(jìn)口邊界條件分別為9.0 m·s-1、8.4 m·s-1、7.8 m·s-1、6.8 m·s-1、5.9 m·s-1，壁面為無(wú)滑移壁面的數(shù)值模擬，最后計(jì)算得出軸流式止回閥5組邊界條件下的流阻系數(shù)分別為3.194、3.195、3.198、3.2、3.205，平均流阻系數(shù)為3.198。

3 優(yōu)化及結(jié)果對(duì)比分析

首先對(duì)軸流式止回閥流道模型進(jìn)行參數(shù)化，并將閥瓣和閥體的部分關(guān)鍵圓弧曲線(xiàn)半徑作為設(shè)計(jì)變量，如圖3所示。根據(jù)實(shí)際加工精度和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，保證優(yōu)化后的流道形狀不出現(xiàn)畸形，給定每個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化范圍為3 mm≤R1≤ 15 mm、90 mm ≤R2≤ 160 mm、60 mm ≤R3≤120 mm、180 mm≤R4≤280 mm、150 mm≤R5≤210 mm。

圖2 流道形狀二維模型

圖3 設(shè)計(jì)變量

閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)仿真的流體介質(zhì)和邊界條件等與優(yōu)化前的第1組數(shù)值模擬相同。將Fluent計(jì)算得出的凈壓差?pV設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，且0 kPa≤R2≤130.732 kPa。根據(jù)此凈壓差，利用式（1）計(jì)算出優(yōu)化后的流阻系數(shù)。最終選取優(yōu)化后流阻系數(shù)最小的5組，根據(jù)實(shí)際加工精度對(duì)各設(shè)計(jì)變量進(jìn)行適當(dāng)取整，且對(duì)每組均進(jìn)行與優(yōu)化前相同條件下的流場(chǎng)數(shù)值模擬。5組優(yōu)化結(jié)果及其流阻系數(shù)如表1所示，可見(jiàn)優(yōu)化后的軸流式止回閥相對(duì)于優(yōu)化前閥門(mén)的流阻系數(shù)降低了20%左右。

表1 優(yōu)化結(jié)果及其流阻系數(shù)

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)依靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)軸流式止回閥存在較大的流阻系數(shù)的問(wèn)題，結(jié)合有限元仿真技術(shù)和響應(yīng)面優(yōu)化法，提出了新的閥門(mén)減阻設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)得出軸流式止回閥的流阻系數(shù)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的軸流式止回閥相對(duì)于優(yōu)化前閥門(mén)的流阻系數(shù)降低了20%左右。