軸流式止回閥數(shù)值模擬研究

□ 馮 明

神木職業(yè)技術學院 陜西榆林 719300

1 研究背景

軸流式止回閥流道采用文丘里結(jié)構(gòu)設計,與其它類型止回閥相比,具有開關響應迅速、流阻小、壓降小、水錘小等優(yōu)異性能,廣泛應用于煉油、煉化及長輸管線系統(tǒng)。筆者應用ANSYS Workbench軟件對軸流式止回閥進行數(shù)值模擬,對不同開度進行分析,研究軸流式止回閥開啟時內(nèi)部流場變化,為閥門的設計和優(yōu)化提供參考。

2 結(jié)構(gòu)

軸流式止回閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由閥座、閥芯、彈簧、導流罩、閥體等組成。

3 模型

根據(jù)軸流式止回閥的結(jié)構(gòu)特點,在保證準確性的基礎上對軸流式止回閥模型進行必要的簡化。簡化模型需遵循以下原則:不改變模型的基本特征,簡化后模型質(zhì)量和網(wǎng)格質(zhì)量有明顯提高。

應用SolidWorks軟件建模,并進行簡化,軸流式止回閥模型如圖2所示。

4 流阻因數(shù)

流阻因數(shù)是一個無量綱量,屬于閥門的固有屬性,表征閥門對流動介質(zhì)的阻力。流阻因數(shù)越大,表示閥門對流動介質(zhì)的阻力越大,能量損失也越大。流阻因數(shù)ξ為:

(1)

式中:Δp為閥門前后壓差;ρ為閥門內(nèi)介質(zhì)密度;v為管道內(nèi)介質(zhì)平均流速。

5 網(wǎng)格劃分

軸流式止回閥流動空間具有對稱性,為了減小計算量,選取1/2流道作為計算域。根據(jù)相關標準,在軸流式止回閥進口端面設置5倍閥門公稱直徑長度的管道,在出口端面設置10倍閥門公稱直徑長度的管道。

采用不同尺寸對流道進行網(wǎng)格劃分,軸流式止回閥全開時計算域網(wǎng)格如圖3所示,共有1 148 131個單元。

6 數(shù)值模擬

應用Fluent軟件進行數(shù)值模擬。選用標準k-ε雙方程湍流模型,介質(zhì)為水,密度為998.2 kg/m3,動力黏度為0.001 003 Pa·s。采用穩(wěn)態(tài)壓力基求解器,選用Simple算法,邊界條件選擇速度進口和壓力出口。

選取軸流式止回閥10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和全開十個不同開度進行穩(wěn)態(tài)分析,得到不同開度下軸流式止回閥內(nèi)部壓力、速度分布情況。開度20%、50%和全開時的軸流式止回閥內(nèi)部壓力、速度分布如圖4～圖9所示。

由圖4可以看出,在20%開度時,軸流式止回閥閥瓣前后區(qū)域分別為高壓區(qū)和低壓區(qū)。由圖5可以看出,在20%開度時,軸流式止回閥密封面處流通面積最小,流速達到最大,在A、B位置產(chǎn)生渦流。由圖6、圖7可以看出,50%開度與20%開度相比,軸流式止回閥密封面處流通面積較大,附近壓力變化較為平緩,流過密封面的速度相對較小,在A、B位置渦流強度較低。由圖8、圖9可以看出,軸流式止回閥內(nèi)部壓力呈現(xiàn)對稱分布,閥瓣前端區(qū)域形成局部高壓,壓力變化平緩,內(nèi)部介質(zhì)流動順暢,沒有渦流阻礙介質(zhì)正常流動,流體阻力達到最小。

數(shù)值模擬得到的不同流速下軸流式止回閥進出口壓差與流阻因數(shù)見表1。由表1可知,隨著流速的增大,軸流式止回閥進出口壓差增大,流阻因數(shù)變化則很小。原因是軸流式止回閥的流阻因數(shù)只與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、開度有關,開度不變時,流阻因數(shù)為恒定值。

表1 軸流式止回閥進出口壓差與流阻因數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果

7 試驗驗證

為了對數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證,判斷數(shù)值模擬在軸流式止回閥分析中的適用性,進行了試驗驗證。試驗系統(tǒng)如圖10所示,包括水循環(huán)系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、管道、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、穩(wěn)壓裝置、自動控制系統(tǒng)等。按照GB/T 30832—2014《閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗方法》要求,將壓力和流量的采集點分別設置在軸流式止回閥前5倍閥門直徑長度的管道位置和軸流式止回閥后10倍閥門直徑長度的管道位置,以保證管道壓力的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的可靠性。試驗實物如圖11所示。

通過試驗,得到不同流速下軸流式止回閥進出口壓差與流阻因數(shù),見表2。

8 結(jié)果對比

由表1、表2繪制軸流式止回閥進出口壓差與流阻因數(shù)變化曲線,分別如圖12、圖13所示。

表2 軸流式止回閥進出口壓差與流阻因數(shù)試驗結(jié)果

從圖12和圖13 可以看出,當流速大于2 m/s時,軸流式止回閥進出口壓差、流阻因數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果很接近,流阻因數(shù)不隨流速的增大而改變,基本保持不變。軸流式止回閥進出口壓差隨流速的增大而增大,進出口壓差和流速呈現(xiàn)二次曲線變化。流速小于2 m/s時,試驗結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果大,這是因為數(shù)值模擬時選用軸流式止回閥全開狀態(tài),流道不會發(fā)生改變,而試驗時軸流式止回閥開度會隨流速變化而變化,當流速小于2 m/s時,軸流式止回閥并未達到全開狀態(tài)。軸流式止回閥進出口壓差數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果誤差見表3。

表3 軸流式止回閥進出口壓差數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果誤差

流速大于2 m/s時,軸流式止回閥流阻因數(shù)試驗結(jié)果平均值為1.7,數(shù)值模擬結(jié)果平均值為1.633,兩者的誤差為3.94%。由此可見,數(shù)值模擬可以有效且準確地分析軸流式止回閥的流場特性,能夠為閥門的設計和優(yōu)化提供參考。