冷壁單動(dòng)滑閥特性仿真分析*

□ 張龍奎 □ 王亞青 □ 王春雷 □ 劉亞陸 □ 謝 軍

1.中國(guó)石油渤海裝備制造有限公司蘭州石油化工裝備分公司 蘭州 730060 2.甘肅省煉化特種裝備工程技術(shù)研究中心 蘭州 730060

1 冷壁單動(dòng)滑閥流量特性曲線仿真

調(diào)節(jié)滑閥的流量特性影響著整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能,因此其流量特性非常重要。調(diào)節(jié)閥的流量特性是指閥前后壓差保持不變時(shí),介質(zhì)通過閥門的相對(duì)流量與閥門相對(duì)開度之間的關(guān)系。調(diào)節(jié)閥的流量特性有快開、直線、等百分比、拋物線四種,由于在實(shí)際應(yīng)用中調(diào)節(jié)閥流量特性會(huì)發(fā)生畸變,等百分比流量特性使額定行程的等量增加會(huì)理想地產(chǎn)生流量系數(shù)等百分比的改變,因此多采用等百分比流量特性。

等百分比流量特性指閥口每單位相對(duì)開度變化所引起的相對(duì)流量變化與相對(duì)流量成正比的關(guān)系,即調(diào)節(jié)閥的放大因數(shù)隨著流量的變化而變化

借助ANSYS軟件中計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真試驗(yàn)方法,采用Pro/E三維軟件建立冷壁單動(dòng)滑閥三維實(shí)體模型,將三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench仿真軟件,反向建模生成冷壁單動(dòng)滑閥內(nèi)流道模型,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,導(dǎo)入CFX流場(chǎng)分析軟件,以連續(xù)性方程、三維雷諾平均納維-斯托克斯方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程為控制方程組,采用有限體積法進(jìn)行離散,對(duì)冷壁單動(dòng)滑閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。

依據(jù) GB/T 30832—2014《閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》中對(duì)流通能力試驗(yàn)的規(guī)定,計(jì)算冷壁單動(dòng)滑閥在全開條件下的額定流量系數(shù)Cv,并模擬計(jì)算冷壁單動(dòng)滑閥不同開度下的流量值,擬合冷壁單動(dòng)滑閥的流量特性曲線。根據(jù)冷壁單動(dòng)滑閥的實(shí)際工況,選取5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%開度對(duì)冷壁單動(dòng)滑閥進(jìn)行實(shí)際工況下的流場(chǎng)模擬計(jì)算,得到冷壁單動(dòng)滑閥不同額定行程的內(nèi)部流場(chǎng)信息,通過對(duì)不同額定行程流動(dòng)性能的分析研究,為冷壁單動(dòng)滑閥的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、選型提供一定參考。

根據(jù)GB/T 30832—2014,對(duì)以水為介質(zhì)的閥門、管道過濾器等產(chǎn)品的流量壓力損失、流量系數(shù)、流阻系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),被試驗(yàn)產(chǎn)品的流阻系數(shù)大于0.1。

筆者以DN650冷壁單動(dòng)滑閥為例進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)介質(zhì)為常溫水,流阻系數(shù)ζ為:

(1)

式中:ΔPv為被試驗(yàn)閥門的壓差,kPa,試驗(yàn)給定為100 kPa;v為試驗(yàn)管道內(nèi)的流速,m/s,分析可得管道內(nèi)平均流速為4.1 m/s;ρ為水的密度,kg/m3,5～38 ℃時(shí)為1 000 kg/m3。

取冷壁單動(dòng)滑閥全開時(shí)的平均流速,計(jì)算可得滑閥的流阻系數(shù)為11.8,大于0.1,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)冷壁單動(dòng)滑閥結(jié)構(gòu)特點(diǎn),選擇GB/T 30832—2014中的直通式典型試驗(yàn)系統(tǒng)布置。這一試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1所示。

▲圖1 直通式連接試驗(yàn)閥門典型試驗(yàn)系統(tǒng)布置

圖1中,L1為用于測(cè)量試驗(yàn)閥門連接管道自身的流量壓差測(cè)量管段長(zhǎng)度,L2、L3為試驗(yàn)閥門上下游連接管道取壓點(diǎn)管段長(zhǎng)度,L4為試驗(yàn)閥門下游取壓點(diǎn)后直管段長(zhǎng)度,L5為管道取壓點(diǎn)前直管段長(zhǎng)度。

建立DN650冷壁單動(dòng)滑閥的流道模型,如圖2所示。DN650冷壁單動(dòng)滑閥裝配如圖3所示,基于反向建模抽離的DN650冷壁單動(dòng)滑閥流道局部如圖4所示,DN650冷壁單動(dòng)滑閥流道四面體網(wǎng)格劃分如圖5所示。

▲圖2 DN650冷壁單動(dòng)滑閥流道模型▲圖3 DN650冷壁單動(dòng)滑閥裝配

▲圖4 DN650冷壁單動(dòng)滑閥流道局部▲圖5 DN650冷壁單動(dòng)滑閥流道四面體網(wǎng)格劃分

2 冷壁單動(dòng)滑閥內(nèi)部流場(chǎng)

通過ANSYS軟件計(jì)算,得到DN650冷壁單動(dòng)滑閥在不同開度下的速度云圖,如圖6所示。

▲圖6 不同開度下DN650冷壁單動(dòng)滑閥速度云圖

由圖6可見,在開度逐漸增大的過程中,速度也逐漸增大,高速區(qū)域速度為20 m/s左右,且集中于閥體中心,在近壁面處速度最小。在30%到90%開度內(nèi),閥體靠近閥蓋一側(cè)的閥體下端會(huì)形成渦流。

3 冷壁單動(dòng)滑閥開度面積和閥桿行程關(guān)系

冷壁單動(dòng)滑閥開度面積與行程有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系,DN650冷壁單動(dòng)滑閥閥口形狀為圓方形,如圖7所示,開度面積F為:

▲圖7 DN650冷壁單動(dòng)滑閥閥口形狀▲圖8 DN650冷壁單動(dòng)滑閥開度面積與行程關(guān)系曲線▲圖9 DN650冷壁單動(dòng)滑閥流量特性曲線

F={πR2arccos[(R-S)/R]}/180

(2)

F=πR2/2+2R(S-R)S>R

(3)

DN650冷壁單動(dòng)滑閥全開時(shí)面積為96 800 mm2。

在已知冷壁單動(dòng)滑閥閥開口形狀的前提下,可以得出閥桿在不同行程下與開度面積的關(guān)系曲線。根據(jù)式(2)、式(3)繪制DN650冷壁單動(dòng)滑閥開度面積和行程的關(guān)系曲線,如圖8所示。由于在小開度面積時(shí)滑閥的調(diào)節(jié)性能非常差,并且實(shí)際使用中滑閥兩端的壓差隨著開度面積的變化而變化,所以開度在30%～80%時(shí)流量調(diào)節(jié)性能最好。

4 冷壁單動(dòng)滑閥流量特性曲線

應(yīng)用ANSYS軟件后處理模塊測(cè)算介質(zhì)流速,根據(jù)Cv計(jì)算式,求得DN650冷壁單動(dòng)滑閥流量特性曲線,如圖9所示。

Cv=1.156Kv

(4)

(5)

Q=V0A

(6)

式中:Kv為閥門流量系數(shù),以5～40 ℃溫度范圍的水流經(jīng)閥門,兩端壓差為100 kPa,水的單位以m3/h計(jì)的流量數(shù)值;Q為介質(zhì)流量,m3/h;ρ0為15 ℃時(shí)水的密度,kg/m3;V0為介質(zhì)流速,m/h;A為冷壁單動(dòng)滑閥出口處接管面積,m2。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于ANSYS仿真模擬軟件,對(duì)冷壁單動(dòng)滑閥圓方形閥口的流量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,獲得冷壁單動(dòng)滑閥流量系數(shù)及其變化規(guī)律。冷壁單動(dòng)滑閥開度較小時(shí),流量系數(shù)增大比較平緩,流量變化小。 隨著開度的增大,流量系數(shù)呈現(xiàn)線性變化,流量變化大。當(dāng)開度達(dá)到90%時(shí),流量系數(shù)增大趨于平緩。

綜合考慮冷壁單動(dòng)滑閥開度面積與行程的變化規(guī)律形狀、Cv與開度的變化規(guī)律,以及冷壁單動(dòng)滑閥開度在30%～80%之間時(shí)調(diào)節(jié)性等百分比變化,在實(shí)際操作冷壁單動(dòng)滑閥時(shí),應(yīng)當(dāng)保證開度在30%～80%范圍內(nèi)。