CFD 技術(shù)在電動(dòng)截止閥三維流場(chǎng)數(shù)值模擬中的應(yīng)用

朱鳳霞 齊洪方 汪 芳 談 劍 孫文文 王 鵬

（1.武漢華夏理工學(xué)院，武漢 430223；2.武漢中地先進(jìn)技術(shù)研究院有限公司，武漢 430000）

截止閥是重要的流體輸送裝置。當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)截止閥時(shí)，由于截止閥的結(jié)構(gòu)和啟閉動(dòng)作，會(huì)引起介質(zhì)出現(xiàn)復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，可能會(huì)造成流體輸送系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)和能量損失，甚至?xí)斐山刂归y閥瓣和壁面磨損嚴(yán)重以及輸送管路不能正常使用等問(wèn)題[1]。傳統(tǒng)的閥門設(shè)計(jì)方法主要依靠設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)，不能有效地進(jìn)行流道設(shè)計(jì)，尤其是不能精確地得到閥門內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)和詳細(xì)數(shù)據(jù)。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是以不同的流動(dòng)介質(zhì)為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬流體流動(dòng)時(shí)的各種物理現(xiàn)象，從而獲得仿真力學(xué)數(shù)據(jù)。運(yùn)用CFD 技術(shù)進(jìn)行截止閥的研發(fā)設(shè)計(jì)，可直接通過(guò)模擬計(jì)算得出閥門內(nèi)部的流場(chǎng)狀態(tài)，且后處理模塊可以采用數(shù)據(jù)、圖像等直觀的方法顯示計(jì)算結(jié)果。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以進(jìn)行閥門結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，從而提升設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短研發(fā)周期，對(duì)截止閥性能優(yōu)化有一定的指導(dǎo)意義。

本文將CFD 理論應(yīng)用于電動(dòng)截止閥流場(chǎng)數(shù)值模擬，研究其內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)的壓力、速度以及流動(dòng)路徑等流場(chǎng)特性，計(jì)算結(jié)果由云圖和矢量圖直觀表示，通過(guò)分析其壓力、速度變化情況和介質(zhì)流動(dòng)路徑，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，為改善閥門性能提供了理論依據(jù)[2]。

1 截止閥流道模型

1.1 幾何模型

截止閥結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其公稱直徑為100 mm，總長(zhǎng)為560 mm，公稱壓力為10 MPa，介質(zhì)從右側(cè)管道入口流入，經(jīng)過(guò)支持套、閥瓣、閥座，從左側(cè)出口管道流出。用建模軟件建立截止閥的三維模型，并抽取出其流道模型，然后使用ANSYS Workbench 平臺(tái)中的網(wǎng)格劃分工具，對(duì)截止閥流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中帶有節(jié)流結(jié)構(gòu)的支持套和閥瓣是閥門控制流量及壓力的核心部件，為了提高仿真計(jì)算的精度，需要對(duì)節(jié)流裝置附近的流道進(jìn)行網(wǎng)格加密，共計(jì)劃分610 321 個(gè)單元，截止閥流道有限元模型如圖2 所示。

圖1 截止閥結(jié)構(gòu)

圖2 流道有限元模型

1.2 湍流模型

工程實(shí)際應(yīng)用中，介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)一般為湍流，流動(dòng)情況高度復(fù)雜，且流動(dòng)速度、方向隨機(jī)變化，各流動(dòng)層相互摻雜。在涉及湍流的計(jì)算中，要對(duì)介質(zhì)建立適當(dāng)?shù)耐牧髂Ｐ?，以保證仿真分析更接近實(shí)際情況。本次分析采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

1.3 控制方程

流體介質(zhì)流動(dòng)情況遵循物理守恒定律，CFD 分析原理是通過(guò)建立相應(yīng)的控制方程，采用數(shù)值計(jì)算和圖像處理功能，求解復(fù)雜的流場(chǎng)問(wèn)題。本文三維流動(dòng)模擬采用雷諾N-S方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

截止閥流場(chǎng)特性分析的求解思路采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法，在計(jì)算前給定閥門的開(kāi)口開(kāi)度，然后在固定開(kāi)度下對(duì)截止閥進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算，流道模型是閥瓣開(kāi)啟到最大高度的狀態(tài)，邊界條件設(shè)置為：速度進(jìn)口的速度為10 m?s-1，壓力出口的壓強(qiáng)為10 MPa，流體介質(zhì)為氣體，壁面設(shè)置為固壁邊界條件，壓力-速度耦合采用SIMPLE 算法[3]。

2.2 模擬結(jié)果分析

計(jì)算迭代收斂后，在Workbench 平臺(tái)后處理軟件CFD-Post 中讀取結(jié)果，并可視化處理數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果信息，包括壓力、速度、路徑等，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，可以獲得閥門各種工作狀態(tài)下的流場(chǎng)特性。

2.2.1 速度分布

流道內(nèi)介質(zhì)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，截止閥XZ、YZ 截面速度分布矢量圖如圖3 所示，由圖3 可以看出，閥內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)比較穩(wěn)定，介質(zhì)從右側(cè)管道流入，經(jīng)支持套節(jié)流孔流入閥瓣下方的閥座，再?gòu)淖髠?cè)管道流出。由于入口管道向上傾斜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，閥入口的下方有低速區(qū)，在流體流過(guò)支持套圓周分布的節(jié)流孔時(shí)，入口側(cè)速度較高。流體通過(guò)支持套和閥瓣后，在閥座左下方形成一個(gè)高速區(qū)，閥體下側(cè)偏向入口處的一側(cè)形成低速區(qū)，此處流道介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)差別較大。介質(zhì)到達(dá)出口段時(shí)，此處流道的介質(zhì)集中在管道的下側(cè)，形成高速區(qū)，從而對(duì)流道壁面形成沖刷，此時(shí)整個(gè)出口段速度梯度較大，會(huì)產(chǎn)生一定的流動(dòng)損失。

圖3 流場(chǎng)速度矢量圖

2.2.2 壓力分布

截止閥XZ、YZ 截面壓力云圖如圖4 所示，由圖4 可知，截止閥進(jìn)出口壓力分布比較均勻，閥體部分壓力變化大，進(jìn)出口壓力差較大，并且閥體上部壓力梯度較大，XZ 截面兩側(cè)壓力大于YZ 截面兩側(cè)壓力。另外，閥體中間區(qū)域壓力梯度變化較大，這是由于流體通過(guò)支持套節(jié)流口后形成對(duì)流，從而產(chǎn)生了該壓力分布特點(diǎn)。

圖4 流道壓力圖

2.2.3 流動(dòng)特征

根據(jù)后處理結(jié)果的壓力、速度、流體路徑圖，反映出了流體在閥門內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和趨勢(shì)，閥門右側(cè)管道入口段流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，介質(zhì)流過(guò)支持套節(jié)流孔后，在閥體內(nèi)流動(dòng)情況變得較復(fù)雜，形成了明顯的對(duì)流區(qū)，并在閥體右下部形成渦流，由于此處流速較低，渦流容易形成湍動(dòng)，從而引起流動(dòng)能量損失和閥體振動(dòng)。在出口段，流體的對(duì)流情況逐漸變?nèi)?，但受閥體內(nèi)對(duì)流情況的影響，在出口段流道上部會(huì)出現(xiàn)渦流，由于此處介質(zhì)流速底，渦流的反向流動(dòng)會(huì)影響主流流動(dòng)，從而使流阻變大，造成水頭損失[4]。

3 結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)截止閥的工作狀態(tài)特點(diǎn)，用計(jì)算流體力學(xué)理論，模擬截止閥流場(chǎng)的壓力、速度、路徑等流場(chǎng)特性，其中支持套均布的節(jié)流孔可減少介質(zhì)對(duì)閥瓣的沖刷和腐蝕，但會(huì)使介質(zhì)流過(guò)節(jié)流口后形成較復(fù)雜的對(duì)流。由于閥體下半部分曲率半徑較大，會(huì)使閥體右下部和出口段上部出現(xiàn)漩渦，因此在設(shè)計(jì)閥門時(shí)可考慮合理設(shè)置此處曲率，以減小渦流范圍，減少流阻，降低流動(dòng)損失，提升閥門性能。