基于OpenFOAM 的旋塞閥流場分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

摘要：為了探究錐形旋塞閥內(nèi)部流體動態(tài)特性，需對旋塞閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。本文基于k-ε 湍流模型，使用開源軟件OpenFOAM、應(yīng)用PIMPLE 算法、以錐形旋塞閥為研究對象，模擬研究了不同開度、不同閥芯圓角時旋塞閥的流動性能；研究了閥芯關(guān)閉過程中隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，流體流速、壓差、流線、流量系數(shù)以及阻力系數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律，并繪制了相關(guān)曲線；對比分析了不同圓角半徑下流體介質(zhì)的速度、流量系數(shù)曲線等參數(shù)的變化。結(jié)果表明：旋塞閥旋轉(zhuǎn)角度越大，閥門前后壓差越大，流量損失也就越大；流量系數(shù)隨著旋塞閥開度的增加而減小，且在相同開度下隨著閥芯圓角半徑的增加而增大。

關(guān)鍵詞：旋塞閥；OpenFOAM；流場分析；結(jié)構(gòu)參數(shù)；流量系數(shù)

中圖分類號：TH137.52+3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

旋塞閥具有安全性高、密封性可靠、啟閉迅速等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油天然氣輸運(yùn)、廢水處理、海水淡化等場合。在旋塞閥啟閉過程中，會產(chǎn)生漩渦、空化等現(xiàn)象，導(dǎo)致能量損失，甚至產(chǎn)生振動與噪聲。對旋塞閥進(jìn)行流場分析，研究旋塞閥工作過程的流場分布規(guī)律，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化十分必要。

練章華等[1] 推導(dǎo)了旋塞閥開度與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系并建立旋塞閥流體通道的CFD 模型，得到了旋塞閥開度與閥芯內(nèi)壁流體最大沖蝕速度之間的復(fù)雜關(guān)系曲線及擬合公式。陳宗帥[2] 使用FLUENT 軟件對旋塞閥內(nèi)部流場進(jìn)行分析，得到了不同開度和不同進(jìn)口速度對旋塞閥性能的影響。朱錦霞[3] 使用ANSYS 軟件研究了流體壓力和彈簧力對球閥密封面接觸應(yīng)力的影響和分布規(guī)律，并與實(shí)驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。佘瑤等[4] 使用CFD 軟件對不同開度下旋塞閥的流動性能進(jìn)行了研究，得到了不同開度下的壓力分布圖、密度分布圖等，并探討了開度大小對閥芯振動與空蝕造成的影響。薛志成等[5] 使用ANSYSFLUENT軟件研究了旋塞閥內(nèi)部的流動規(guī)律，對比分析不同位置的流體在旋塞閥中的速度、壓力變化，并對易產(chǎn)生空化現(xiàn)象區(qū)域進(jìn)行定位分析。劉長譽(yù)等[6] 使用FLUENT 軟件對液壓閥不同閥口開度下壓力、流速分布進(jìn)行對比分析。李景翠等[7] 使用有限元CFD 軟件對旋塞閥的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與啟閉特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得到了相同入口速度下不同開度的速度云圖和最大速度曲線圖。張志鵬等[8] 使用OpenFOAM軟件對液壓閥開度變化引起的流動不穩(wěn)定性和渦流現(xiàn)象進(jìn)行了研究。陸俊杰等[9-10] 使用微凸體接觸理論，對旋塞閥微觀粗糙密封面接觸進(jìn)行受力分析并對其疲勞壽命進(jìn)行計算。

Outa 等[11] 運(yùn)用渦流模型和N-S 模擬方法研究了工業(yè)旋塞閥空化現(xiàn)象下氣泡的流動狀態(tài)和渦流分布。Kim 等[12] 對不同開度下的旋塞閥進(jìn)行了流場性能分析，計算了不同開度和閥芯過流口形狀下的流量系數(shù)和阻力系數(shù)，并對過流口形狀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。Sonawane 等[13] 對不同流量和壓降的截止閥進(jìn)行了CFD 模擬，觀察流動模式并測量閥門的出口速度以及流量系數(shù)。Dumitrache 等[14-15] 使用有限元CFD軟件對錐形旋塞閥開始關(guān)閉時的流場進(jìn)行分析，并對圓孔形和多圓孔形閥芯流道進(jìn)行了CFD 和流固耦合（FSI）對比分析。Melnikova 等[16] 使用OpenFOAM軟件對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了不可壓縮流體動力學(xué)模擬，得到了速度、壓力場、作用在閥芯上的應(yīng)力場等。Chandar等[17] 使用MATLAB 軟件研究了閥門的流動情況，模擬了進(jìn)出口壓力差和流量的特征曲線。