軸流閥數(shù)值模擬仿真分析

石 科，賈琦月，馮 婕，段大軍，張麗芳

（1.重慶華峰化工有限公司，重慶 408000；2.中國寰球工程有限公司 北京分公司，北京 100012；3.重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400707）

0 引言

軸流閥是一種適用于大壓差的閥門，由閥外部件和閥內(nèi)部件組成。閥體是一個完整的鑄造體，在閥的內(nèi)外部件之間有一流通介質的軸向對稱流道?；钊麠U和閥桿組成一個90°的角式傳動機構，閥桿底部與活塞桿端部各有一段45°的斜齒條，它們相互嚙合，執(zhí)行機構驅動閥桿上下運動，從而帶動活塞桿在閥體內(nèi)腔里左右運動，閥芯和活塞桿相連接，閥芯借助此傳動機構在軸向方向左右運動?？锥淳鶆蚍植荚陂y芯端面上，有效地平衡了閥芯的內(nèi)、外壓力，使閥芯左右運動過程中不受軸向壓力的影響，減小驅動力矩。

其結構特點是在閥體內(nèi)腔的圓錐狀的導流罩對流體進行疏導，使其均勻分布，同時降低流阻，整體的內(nèi)外殼鑄造也使得軸流閥具有良好的抗介質脈動振動性，脈動壓力不會作用于閥芯或套筒，而是直接抵消在閥體內(nèi)壁上。

目前已有國內(nèi)外學者對軸流閥的動態(tài)特性進行研究，張偉濤[1]利用動網(wǎng)格及函數(shù)分析了軸流閥啟閉過程中流場的壓力分布及關閉后閥座沖擊力；白亞州[2]采用數(shù)值模擬的方法確定沖擊載荷的大小，分析了軸流式止回閥在受到瞬態(tài)沖擊與瞬態(tài)熱載荷時閥門的結構強度和密封失效問題；楊國來等[3]利用CFD模擬了閥瓣關閉的動態(tài)過程中，止回閥內(nèi)壓力場和速度場的瞬態(tài)變化過程，計算出動態(tài)特性曲線，并進行了相應的試驗驗證；Sibilla等[4]利用動網(wǎng)格技術對止回閥壓力場與速度場進行了仿真，得出其內(nèi)部流場變化；楊開林等[5]建立了水力瞬變流量、水壓與閥開度之間的函數(shù)關系，提出閥開度隨水壓變化的遞進模型；曹文斌等[6]采用數(shù)值分析的方法研究了不同閥口節(jié)流槽在閥芯開啟過程中閥口前后壓差、流量、流速等流場特征。

上述研究主要是分析閥門啟閉過程中動態(tài)特性的變化，沒有討論流向和結構的影響。本文模擬計算出不同的介質流向，不同導流罩直徑結構下的軸流閥的對稱面壓力、對稱面矢量、流量系數(shù)，從而優(yōu)化軸流閥的結構尺寸。

1 建立仿真分析模型

1.1 幾何模型

根據(jù)DN300軸流閥的設計圖紙，利用NX建立其三維裝配模型，如圖1。其主要由閥體、閥芯、套筒、齒條箱傳動部件、閥桿、填料部件、上閥蓋等零部件組成，主要設計尺寸參數(shù)包括閥體進出口直徑300mm，總長965mm，行程100mm。

圖1 軸流閥三維模型Fig.1 Three dimensional model of axial flow valve

1.2 數(shù)學模型

穩(wěn)態(tài)流場計算模型方程及仿真流量系數(shù)計算公式如下：

1）k-ε雙方程模型：本文軸流閥穩(wěn)態(tài)流場在能量守恒方程、連續(xù)性方程[7]及動量守恒方程[8]的基礎上，采用標準RNGk-ε雙方程模型進行計算，該模型的理論方程如下[9]：

湍動能k方程：

湍流耗散率ε方程：

式（2）中：ρ是介質密度，Gk是因為平均速度梯度變化產(chǎn)生的湍動能生成項，μ是介質粘度。其中：

2）計算仿真流量系數(shù)C的公式為[10]：

式（3）中：Q是介質流量體積，m3/h；Δp是閥門上下游取壓口的壓力差，kPa；ρ1是流體密度，kg/m3。這里取值為15.5℃時的水密度999kg/m3；N1為常數(shù)，取值與C的意義相關。當C為Kv時，N1取值0.1；C為Cv時，N1取值0.0865。本文仿真流量系數(shù)C為Cv，則N1為0.0865。

2 CFD仿真模擬及結果分析

本文以公稱通徑300mm，全開的導流罩直徑分別為100mm的DN300-d100、導流罩直徑120mm的DN300-d120、導流罩直徑140mm的DN300-d140的軸流閥為研究對象，進行CFD仿真模擬分析。

2.1 流道模型建立及網(wǎng)格劃分

將軸流閥三維模型導入ANSYS Fluent中，考慮方便分析，在不影響分析結果的基礎上對軸流閥模型進行簡化，并取5倍管道公稱通徑作為閥前管道長度，取10倍管道公稱通徑作為閥后管道長度[8]。同時為了方便仿真分析，取該對稱模型的一半進行網(wǎng)格劃分。用ANSYS Meshing劃分流道模型網(wǎng)格，選用“四面體/混合網(wǎng)格”的劃分法，得到了軸流閥DN300-d100、DN300-d120、DN300-d140的流道網(wǎng)格模型。

2.2 參數(shù)設置及流場仿真

采用流體動力學仿真軟件Fluent數(shù)值模擬計算出軸流閥流道流場特性，并進行如下設置：

1）軸流閥流動數(shù)值模擬工作介質設為液態(tài)常溫水，流道入口設置為絕對速度5m/s，出口為靜壓出口0，與流體接觸的其余表面都設置為WALL，采用的是標準壁面函數(shù)。

2）流場仿真模型為RNGk-ε雙方程湍流模型。

3）收斂條件設置為動量方程、連續(xù)性方程，并且能量方程的最大殘差值小于1×10-6，雙方程湍流方程的最大殘差值小于1×10-4。

4）求解初始條件是閥門的入口參數(shù)，選擇標準初始化方法。

5）環(huán)境壓力設定為0，且忽略了重力加速度對流體流動的影響。

6）迭代次數(shù)設為3000。

2.3 仿真模擬結果分析

分別計算對比分析了軸流閥DN300-d120介質正反流動時，軸流閥DN300-d100、DN300-d120、DN300-d140正向流動時的流量變化情況，得到如下結論：

1）不同介質流向分析：得到DN300-d120軸流閥全開時介質正反流動的渦核流線云圖如圖2，對稱面速度矢量圖和壓力云圖分別如圖3、圖4。由渦核流線云圖可以看出，介質從正反兩個方向流入軸流閥的過程中，在未流經(jīng)套筒前均未形成明顯的漩渦。當介質流經(jīng)套筒時，套筒節(jié)流處形成明顯漩渦；介質在接近閥門出口后，漩渦消失。由對稱面速度矢量圖可以得出，正反流向介質在流經(jīng)套筒后在套筒節(jié)流處速度明顯增加，且正向流動時套筒節(jié)流處局部最大流速為22.55m/s，小于反向流動時套筒節(jié)流處局部最大流速為22.94m/s。

圖2 渦核流線云圖Fig.2 Cloud chart of vortex core streamline

圖3 對稱面速度矢量圖Fig.3 Velocity vector diagram of symmetric plane

圖4 對稱面壓力云圖Fig.4 Cloud chart of symmetrical plane pressure

由此可得，DN300-120軸流閥的介質反向流動時的閥腔內(nèi)部漩渦數(shù)量和旋渦能耗都小于正向流動，但是套筒節(jié)流處局部最大流速大于正向流動，兩種情況下相差不大。

由對稱面壓力云圖可知，DN300-d120軸流閥全開時介質正向流動時流場橫截面的最大壓力為195.3kPa，反向時的最大壓力為100.1kPa，且最大壓力區(qū)域均位于閥門進口至套筒節(jié)流之前。當介質流經(jīng)節(jié)流套筒時，由于套筒窗口的節(jié)流作用使得壓力急劇下降；介質流經(jīng)節(jié)流套筒后，由于閥內(nèi)流道導流結構所引起的渦漩作用，使套筒節(jié)流后的區(qū)域壓力有了明顯降低。此外，反向流動時的最小壓力為-399.3kPa，小于正向的最小壓力-217.2kpa，但正向的出口處橫截面整體壓力分布比反向更均勻。

通過仿真計算得到DN300-d120軸流閥全開時介質正反流動時理論流量系數(shù)、仿真流量系數(shù)見表1?？梢缘玫紻N300-d120軸流閥全開時介質反向流動時的流量、Cv值都稍大一些。

表1 DN300-d120軸流閥全開時介質正反流動時流量系數(shù)數(shù)據(jù)Table 1 Flow coefficient data of positive and negative flow of medium when DN300-d120 axial flow valve is fully opened

2）不同導流罩直徑分析：得到DN300-d100、DN300-d120、DN300-d140軸流閥全開且介質正向流動時的流道渦核流線云圖如圖5，對稱面矢量圖和壓力云圖分別如圖6、圖7。同樣地，由渦核流線云圖可以看出，3種導流罩直徑的閥門在未流經(jīng)套筒前均未形成明顯的漩渦。當介質流經(jīng)套筒時，套筒節(jié)流處形成明顯漩渦；介質在接近閥門出口后，漩渦消失。由對稱面速度矢量圖可以看出，3種導流罩直徑閥門在流經(jīng)套筒后在套筒節(jié)流處速度明顯增加，DN300-d100套筒節(jié)流處局部最大流速為23.53m/s，DN300-d120套筒節(jié)流處局部最大流速為22.55 m/s，DN300-d140套筒節(jié)流處局部最大流速為25.22 m/s。

圖5 渦核流線云圖Fig.5 Cloud chart of vortex core streamline

圖6 對稱面速度矢量圖Fig.6 Velocity vector diagram of symmetric plane

圖7 對稱面壓力云圖Fig.7 Cloud chart of symmetrical plane pressure

對DN300-d140軸流閥，閥腔內(nèi)部旋渦在3種導流罩直徑的閥門中最多，旋渦能耗也最大，套筒節(jié)流處局部最大流速也最大。

由對稱面壓力云圖可知，DN300-d100、DN300-d120、DN300-d140軸流閥全開時流場橫截面的最大壓力區(qū)域均位于閥門進口至套筒節(jié)流之前。同樣地，介質流經(jīng)節(jié)流套筒時，介質壓力在套筒窗口的節(jié)流作用下急劇下降；介質流經(jīng)節(jié)流套筒后，形成了明顯的低壓區(qū)。對軸流閥DN300-d140，節(jié)流后局部最低壓力在3臺閥門中最小，為-345.9 kPa；軸流閥DN300-d100和DN300-d120節(jié)流后最低壓力分別為-201.8kPa、-217.2kPa。同時軸流閥DN300-d140流場橫截面最大壓力在3臺閥門中最小，為188.9kPa；軸流閥DN300-d100和DN300-d120流場橫截面的最大壓力分別為214.3kPa、195.3kPa，但出口處橫截面整體壓力分布DN300-d120軸流閥更均勻。

通過仿真計算得到DN300-d100、DN300-d120、DN300-d140軸流閥全開下介質正向流動的理論流量系數(shù)、仿真流量系數(shù)見表2，仿真流量不隨軸流閥導流罩直徑變化，仿真Cv隨著軸流閥導流罩直徑的增大而增大。

表2 3種導流罩直徑軸流閥仿真流量系數(shù)數(shù)據(jù)Table 2 Simulated flow coefficient data of axial flow valves with three kinds of shroud diameters

3 結論

本文通過理論分析，對不同的介質流向，不同導流罩直徑的全開的DN300軸流閥進行了研究，并以DN300-d100、DN300-d120、DN300-d140為例，進行了仿真分析，得到以下結論：

1）DN300軸流閥介質正反流動時閥腔內(nèi)部均形成明顯渦漩，且局部最大流速均在套筒節(jié)流處，介質反向流動旋渦能耗大于正向流動。

2）3種導流罩直徑、全開且介質正向流動時的軸流閥同樣在套筒節(jié)流處有明顯旋渦。其中，DN300-d140套筒調(diào)節(jié)閥旋渦最多，能耗最大，DN300-d100次之，DN300-d120套筒調(diào)節(jié)閥旋渦最少，能耗最小。

3）DN300軸流閥介質正反流動時套筒節(jié)流前區(qū)域均壓力最大，且分布相對均勻，套筒節(jié)流后的區(qū)域在渦漩作用下均形成明顯的低壓區(qū)。介質正向流動時，出口處橫截面整體壓力分布更均勻。

4）3種導流罩直徑、全開且介質正向流動時的軸流閥同樣在套筒節(jié)流后區(qū)域有明顯低壓區(qū)。其中，DN300-d120軸流閥出口處橫截面整體壓力分布比DN300-d100和DN300-d140軸流閥更均勻。

5）DN300軸流閥全開下介質正向流動的Cv值隨著導流罩直徑的增大而增大，DN300-d120軸流閥介質反向流動時的Cv值更大。