升降式止回閥流阻系數(shù)影響因素分析

張紅瑞，徐小兵，戴 明，李思維

(長江大學機械工程學院，湖北 荊州 434000)

1 概述

止回閥是一種自動閥門，其主要作用就是防止介質倒流，從而防止泵及驅動電機反轉。隨著核電技術的日益成熟，升降式止回閥也得到廣泛使用[1]。升降式止回閥的流阻系數(shù)越大，能量耗損越嚴重，是人們關注的焦點。合理的結構參數(shù)設計能夠降低流阻[2]，減少介質在管路中的能量損耗，并保證整體管路的安全性。本文根據(jù)流體動力學原理，應用CFD軟件模擬分析包括介質流速、出入口直徑、閥腔錐度和閥腔直徑等因素對升降式止回閥流阻系數(shù)的影響，為分析升降式止回閥止回性能和提高升降式止回閥的設計水平提供參考。

2 結構原理

升降式止回閥主要由閥體、閥瓣、導向座和閥蓋組成，其結構如圖1所示。止回閥是一種單向控閥門，升降式止回閥工作原理：當流體作用力大于彈簧彈力及閥瓣重力之和時，閥瓣上升，閥門開啟；反之，閥瓣下降，閥門關閉，阻斷介質倒流。

圖1 升降式止回閥結構圖

3 閥內流場模型建立

3.1 流阻計算

根據(jù)閥門設計手冊[3]，可以得到對于湍流流態(tài)的液體，其壓力損失：

其中：Δp—被測閥門的壓力損失(MPa)；ζ—閥門的流阻系數(shù)；u—流體在管道中的平均流速(mm/s)；ρ—流體密度(kg/mm3)。

從以上公式可以得到流阻系數(shù)的計算公式為[4]：

3.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設置

針對DN28升降式止回閥在其全開狀態(tài)下進行穩(wěn)態(tài)模擬，采用CFD軟件模擬止回閥出入口的壓力損失，計算出閥內的流阻系數(shù)。對于升降式止回閥而言，因其內部結構的不規(guī)則性，對流道采用四面體網(wǎng)格進行劃分，對閥瓣等關鍵部位進行局部細化。模擬介質為液態(tài)水，其動力粘度為1.01×10-3kg/m·s，為了保證介質在閥門管道流動的平穩(wěn)性，在出入口各延長5倍管徑長度，得到其網(wǎng)格圖如圖2所示。采用Realizablek-ε湍流模型，邊界條件設置為速度入口，壓力出口，其余保持默認，從而計算出止回閥出入口的壓力。

圖2 流道網(wǎng)格圖

4 閥內流場模擬分析

影響止回閥流阻系數(shù)的因素有很多，本研究從介質流速[5]、進出口直徑以及中閥腔的直徑和錐度等方面，對流阻系數(shù)的影響進行模擬分析。

4.1 流速對流阻系數(shù)的影響

根據(jù)現(xiàn)場的使用情況，擬采用3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s的介質流速來模擬計算出不同流速下的進出口壓降，從而計算出流阻系數(shù)與介質流速的關系。經過模擬計算得到不同流速下的壓力損失以及流阻系數(shù)，如表1所示。

表1 不同流速下的壓降與流阻系數(shù)

由表1可以得到不同介質流速下，壓降變化很大，但流阻系數(shù)的變化并不明顯，最大誤差為5.6%，由此可以得出流速大小基本不影響流阻系數(shù)。

4.2 閥門入口直徑對流阻系數(shù)的影響

閥門出入口直徑大小能夠直接影響閥門壓降，由于流速并不能直接影響流阻系數(shù)，所以采用介質流速為6 m/s對26 mm、27 mm、28 mm、29 mm入口直徑的止回閥進行模擬，其他尺寸保持不變，模擬不同入口直徑對流阻系數(shù)的影響。

從圖3中可以清晰看到，水流高速區(qū)在中閥腔上端部位，其原因是介質在水平管道流動，經過垂直管壁碰撞后水流向上涌動，從而在此處形成水流高速區(qū)域，隨著入口直徑的增大，最高流速由11 m/s增大至13.6 m/s，水流高速區(qū)向閥腔右端出口處轉移。由圖4可以看到，在垂直管壁處壓力明顯變大，在出口直徑一定時，隨著入口直徑增大，出入口間的壓差也隨之增大，從而流阻也增大。模擬結果如表2所示，入口直徑從26 mm增大至29 mm，流阻系數(shù)由3.9350增大至5.7712，流阻系數(shù)增大了46.7%，由此可見，閥門設計過程中，在滿足整體閥門性能的情況下，應選擇較小的入口直徑。

圖3 不同入口直徑下的速度云圖

圖4 不同入口直徑下的壓力云圖

表2 不同入口直徑下的壓降與流阻系數(shù)

4.3 出口直徑對流阻系數(shù)的影響

通常設計中閥門進出口管道直徑相同，本模擬是以DN28升降式止回閥為模型，即出入口直徑為28 mm，采用26 mm、27 mm、28 mm和29 mm的出口直徑通過CFD方法模擬計算升降式止回閥進出口壓強，計算出進出口壓降，再根據(jù)流阻計算公式得出流阻系數(shù)。

介質從入口進入后，在中腔垂直管壁處碰撞，向著出口處運動，此處會形成弧線水流，而水流高速區(qū)域就在此弧線區(qū)域。從圖5可以看出，隨著出口直徑的增大，閥內最大流速從13.37 m/s降低至11.39 m/s，介質流速的降低可以減輕介質對出口端傾斜管道的沖擊效果，使流動更加穩(wěn)定。由圖6可以看出，較大的出口直徑，其閥內壓力分布相對均勻，由于介質流入閥內時會沖擊止回閥垂直的中腔壁面，所以在中腔右壁面處壓力相對較大，介質撞擊壁面后向著低壓區(qū)域運動，在出口端傾斜管道與水平管壁的交界處會形成漩渦，出現(xiàn)負壓區(qū)，造成能量的損失，隨著出口直徑的增大，最大負壓也隨之降低。

圖5 不同出口直徑下的速度云圖

圖6 不同出口直徑下的壓力云圖

從表6可見，出口直徑由26 mm增大至29 mm，壓降從103118.65 Pa降低至80085.99 Pa，流阻系數(shù)從5.7391降低至4.4572，流阻系數(shù)降低了22.34%，在設計止回閥結構尺寸時，較大的出口直徑能夠降低流阻系數(shù)，從而保證較小的出入口壓降，減少能量的損失。

表3 不同出口直徑下的壓降與流阻系數(shù)

4.4 不同中腔下端直徑對流阻系數(shù)的影響

介質以恒定速度流入閥道，在中腔處向上涌動并流向出口，在此過程中，介質會碰撞中腔各個壁面，并且需要克服介質自身重力作用向上涌動，因此，在中腔處的流場更為復雜。結合實際閥體尺寸，選取29 mm、30 mm、31 mm和32 mm的中腔下端直徑來探討中腔下端直徑對流阻系數(shù)的影響。

水流從止回閥進口端流入，在初次碰撞到中腔壁面時水流一部分會折回，一部分靠慣性向上涌動，向著出口端流去，當水流高度與閥門出口端平齊時，大部分水流向出口端流去，小部分靠著慣性向閥門中腔右上部涌去，逐漸充滿整個閥腔，同時由于水流自身重力原因，會向著閥門中腔左上部流動，直至介質充滿整個閥腔，介質速度矢量云圖如圖7所示，中腔左上部水流有回流趨勢，并隨著水流整體流動趨勢向出口端流去，在出口端最左側有一小部分水流在此處形成漩渦，并最終隨著水流向出口流去。隨著中腔下端直徑的增大，最高流速隨之減小，水流對閥壁的沖蝕降低。閥內壓力云圖如圖8所示，進出口壓降明顯降低，出口端的漩渦也逐漸減小，水流更加平穩(wěn)，能耗降低。

圖7 不同中腔下端直徑下的速度矢量云圖

圖8 不同中腔下端直徑下的壓力云圖

由表4可以看到，中腔下端直徑由29 mm增加至32 mm，壓降由93540.84 Pa降低至86088.80 Pa，流阻系數(shù)由5.2061降低至4.7913，降低了7.96%，與進出口直徑相比，中腔下端直徑對流阻系數(shù)的影響相對較小，但是選取較大的中腔直徑有利于降低進出口壓降，減少能量損耗。

表4 不同中腔下端直徑下的壓降與流阻系數(shù)

4.5 中腔上端錐度對流阻系數(shù)的影響

由以上模擬可以得知介質在閥門中腔上部會形成弧線水流，并在此處為水流急速區(qū)域，閥道上腔處的錐形區(qū)域會影響水流的弧線曲率，因此分別采用35°、40°、45°和50°下的中腔上端錐度來模擬分析對流阻系數(shù)的影響。

從圖9可以得到，不同角度下的中腔上端錐度對止回閥閥體內部最大流速影響不大，平均分布在12 m/s左右，但隨著角度的增大，高速水流區(qū)域也逐漸增大，對出口端斜管內壁的沖擊面積增大。從圖10能夠看出，隨著角度的增大，閥體內部的最大壓力也稍微增大，對進出口的壓降有一定影響，并且在出口端處漩渦現(xiàn)象更加嚴重，漩渦面積增大，增加了閥體內部的能耗。

圖9 不同中腔上端錐度下的速度云圖

圖10 不同中腔錐度下的壓力云圖

表5 不同中腔上端錐度下的壓降與流阻系數(shù)

不同角度下的中腔上端錐度對進出口壓降影響較小，但還是隨著角度增加呈現(xiàn)上升趨勢。角度從35°增加至50°，流阻從4.8930增大至5.1189，增大了4.62%，雖沒有進出口直徑以及中腔下端直徑對流阻系數(shù)的影響大，但是選取較小的角度有利于減小水流急速區(qū)域，減小漩渦區(qū)域面積，降低閥體內部能耗，具有一定意義。

5 結論

1)隨著介質流速的增大，升降式止回閥進出口壓降顯著增大，流阻系數(shù)卻基本不變，因此流速大小基本不影響流阻系數(shù)。

2)通過模擬發(fā)現(xiàn)，較小的進口直徑和較大的出口直徑能夠降低進出口間的壓降，降低流阻系數(shù)。中腔下端直徑與上端錐度對流阻系數(shù)的影響相對較小，較大的中腔下端直徑和較小的上端錐度能略微降低進出口壓降，但能顯著減小閥體內部漩渦區(qū)域，使水流更加平穩(wěn)，能耗降低。

3)綜合以上分析，介質流速對流阻系數(shù)基本沒有影響，入口直徑與出口直徑對流阻系數(shù)的影響較大，中腔下端直徑與中腔上端錐度對流阻系數(shù)的影響較小，其中，入口直徑對流阻系數(shù)的影響最大，中腔上端錐度對流阻系數(shù)的影響最小。