基于CFD的電動截止閥內流道數值模擬及改進設計

周明健 唐鈴鳳 王玉勤

（1安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000）

（2巢湖學院物理與電子科學系，安徽 巢湖 238000）

基于CFD的電動截止閥內流道數值模擬及改進設計

周明健1唐鈴鳳1王玉勤2

（1安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽 蕪湖 241000）

（2巢湖學院物理與電子科學系，安徽 巢湖 238000）

電動截止閥是流體輸送的重要元件.閥的傳統設計方法很少從流體角度對其流道進行設計，其流阻系數比較大，容易造成局部壓力損失.流體介質通過閥口時，流動方向發生變化，可能產生諸如局部渦流、空化、水錘和死水區等水流現象及湍流脈動噪聲，對閥體有很強的破壞性，降低閥的使用壽命.基于RAN-S方程組和RNG k-ε湍流模型，利用CFD技術對全開啟狀態下的電動截止閥的內流道進行三維的湍流數值模擬，獲得其總壓圖、速度矢量圖、湍動能強度圖.通過數值模擬，可以直觀地顯示閥的內流道中流體的流動過程.改變進出口段流道的長度、曲率以及閥桿在流道中的布局等，進出口的壓力差相對于未改進前減少30%左右，速度突變區域明顯縮小，局部渦流現象消失，湍動能強度也降低了15%左右.

電動截止閥；內流道；數值模擬；改進設計；CFD

1 引言

閥門是控制管路系統中流體的流動方向或調節其壓力和流量的重要裝置[1].國外對閥門的研究起步早，在機械和水力的方面做了大量的研究；而國內對閥門的研究主要集中在機械方面，從流體的角度對閥門的研究較少，基本上是依據常規設計方法和經驗，只注重結構型態而不注重考慮流阻損失，從而引起較大的能耗，而在實際的管道工程中，閥的局部水頭損失占管道水頭損失的比例是相當可觀的，這使得對閥門的選擇和使用長期處于一種半經驗狀態，主要依靠國外的技術資料.為了更加科學分析閥門的性能，從流體力學的角度運用數值模擬方法分析其內部流場是十分必要的[2].

近年來，隨著電子計算機的廣泛應用及數值計 算 技 術 的 發 展 ，CFD （Computational Fluid Dynamics）技術得到了蓬勃地發展，使得對于大部分的流體力學問題，其中包括對液壓元件內部流道流體流動問題的數值研究及可視化研究成為可能.在流體流動問題的數值研究方面，張弓[3]利用邊界元法計算了三種結構的超高速電液比例直動式先導閥的腔室的流場；崔銘超[4]利用CFD技術對直角截止閥內流道進行了優化.

由于數值模擬相對于實驗研究有其獨特的優點，且成本低、周期短，能獲得完整的數據，能模擬出實際運行過程中所測數據狀態，對于設計改造等商業或實驗室應用起到重要的指導作用，提高了設計質量.隨著液壓技術的進一步發展，對液壓技術的要求越來越高，現代的數值模擬分析方法在閥等液壓系統元件的設計上的應用使設計的產品能更加符合工程的需要，故CFD技術在閥門工業領域中得到了越來越多的應用.借助CFD這個工具可以減少閥門的設計周期，更深地洞悉結構對流動產生的影響，避免產品的設計缺陷[5].

本文采用Fluent軟件對所設計的電動截至閥的全流道進行不可壓湍流流場數值計算，通過分析流道的壓力分布、速度分布以及閥的關鍵幾何尺寸對其湍流強度等流動特征的影響，進而對流道進行優化.Fluent軟件是由Fluent公司基于Fluent軟件群思想開發的計算流體力學軟件，在我國已得到較好的應用.它針對每一種流體的物理問題的特點，采用合適于它的數值解法以在計算速度、穩定性和精度等方面達到最優，減少了研究者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復、低效率的勞動，將更多的精力和時間投入到考慮問題的本質，優化算法選用，參數的改變，提高效率地解決各個領域的復雜流體計算問題.特別是針對諸如電磁截至閥的全流道可以很好地保證計算的收斂和數值的精度[6].

2 數學模型分析

1.1 電動截止閥的結構簡圖

電動截止閥的結構簡圖如圖1所示。

圖1 電動截止閥的結構簡圖

1.2 數學模型

基于RAN-S方程組和RNG k-ε兩方程湍流模型，采用Simplec算法對電動截至閥的內流道進行湍流數值模擬，其控制方程[7]為：

式（1）、（2）中：ui和 uj-分別為時均速度分量；xi和xj-分別為各個坐標分量；P-時均壓力；Fi-體積力；μt-湍流動力黏性系數.

湍動能k和耗散率ε方程分別為：

1.3 計算區域及網格劃分

由于電動截止閥的內流道的設計沒有標準，本文參照鑄鐵管件[8]中的乙字彎管和90°彎管進行類比設計.本文研究的電動截止閥的內流道模型是由進口段、閥口段、出口段組成.全開啟狀態下的電動截止閥的內流道模型如圖2所示.利用CFD軟件對其內流道進行計算，由于其內流道的結構不是很規則，因此采用混合網格進行劃分.電動截止閥的內流道的網格劃分情況如圖3所示.

圖3 電動截止閥的內流道的網格劃分

1.4 邊界條件及參數設置

流體介質是液態水.進口處采用速度進口（velocity inlet），流體介質在進口處的速度為2m/s，出口處采用出流（outflow）；無滑移壁面，近壁區采用標準壁面函數.

2 數值模擬及分析

2.1 電動截止閥壓力分析

電動截止閥的內流道的三個方位的壓力總圖如圖4所示。電動截止閥的內流道主要點壓力分析表如表1所示。

表1 電動截止閥的內流道主要點壓力分析表

2.2 電動截止閥的內流道速度矢量圖

電動截止閥的內流道速度矢量圖如圖5所示，在b點有強的剪切層存在，這樣的剪切層在大雷諾數流動中會失穩卷成漩渦，形成了局部的渦流現象；由于流動分離區的出現，流體在a、c、d點的有效過流面積減少，速度發生突變，其中，c、d點的最大速度超過4m/s.因此需要對其流道進行優化，避免這種現象的發生.

2.3 湍動能強度分析

湍動能強度表示的是速度梯度的大小.降低湍動能值可以降低湍流脈動噪聲.電動截止閥的內流道湍動能強度圖如圖6所示，在e、f、g的湍流強度較大，最大湍動能值達到了93.1m2/s2，需要對其流道進行優化，降低其湍動能強度.

圖5 電動截止閥的內流道速度矢量圖

圖6 電動截止閥的內流道湍動能強度圖

3 改進設計及數值模擬分析

3.1 改進設計

改進措施：進口段直接采用曲率較大的圓弧和一個小圓弧，消除優化前的直線段連接；縮短閥門打開時的閥蓋到頸部密封面距離；適當地調整閥桿在流道中的布局；進口段和出口段的銜接處要盡可能平緩，避免流體在轉彎處速度發生突變，速度過大；出口段利用曲率很大的圓弧和一個小圓弧連接；對空化始點、強動脈動始點等敏感部位作倒角處理.改進前后的電動截止閥的內流道圖如圖7所示.

3.2 數值模擬分析

（1）改進后的電動截止閥的內流道總壓圖如圖8所示，改進后的電動截止閥的內流道主要點壓力分析表如表2所示.f1點的總壓力為-250pa，而f點的總壓力為-2870pa，因此優化后電動截止閥的內流道在f1點的壓力損失相對未優化前的c點的壓力損失減小了90%；c1點的總壓力為550pa，而c點的總壓力為500pa，壓力損失的現象得到明顯的改善；改進后的內流道的總壓力分布地很均勻；進口處和出口處點的壓力差為450pa，相對于未優化前的進出口的壓力差減小幅度很大.

圖7 改進前后的電動截止閥的內流道模型

圖8 改進后的電動截止閥的內流道總壓圖

表2 改進后的電動截止閥的內流道主要點壓力分析表

（2）改進后的電動截止閥的內流道速度矢量圖如圖9所示，a1點沒有速度的突變，b1點處沒有局部的渦流，c1、d1處的最大速度都未超過3.5m/s.

（3）改進后的電動截止閥的湍流強度圖如圖10所示，最大的湍動能值從93.1m2/s2降到了81.6 m2/s2，最大湍動能強度降低15%.優化改進后的閥的高湍動能分布區域明顯變小，這說明了流動相對于原閥更加通暢，整體改進效果良好，極大地降低其湍動能脈動值.

圖9 改進后電動截止閥內流道速度矢量圖

4 結論

（1）通過優化前后的電動截止閥的內流道的總壓力、速度、湍動能強度的比較，說明該改進是可行的.

（2）這種方法進出口的壓力損失將近30%，使原來的局部渦流現象消失，減少了速度的突變的區域，最大速度也從原來的4.26m/s降到3.4m/s，湍動能強度也降低了15%左右.

[1]王積偉，章宏甲，黃誼，等.液壓技術與氣壓傳動[M].北京：機械工業出版社，2005：136.

[2]張亮，關凱書，王志文，劉樹明，等.Fluent模擬驗證187137-IP減壓閥閥芯失效機理[J].腐蝕與防護，2008，29（5）：284-286.

[3]張弓.超高速電液比例閥的研究[D].成都：西南交通大學，2009.

[4]崔銘超.基于CFD技術的直角截止閥流道優化[D].上海：上海交通大學，2009.

[5]向虎，韋文術.CFD技術及其在液壓支架用閥設計中的應用探討[J].煤礦機械，2007，28（1）：13-14.

[6]袁昌耀，傅連東，王佳，劉龍園，陳忱.基于 Fluent液壓集成塊管內數值模擬[J].機械，2008，35（12）：16-18.

[7]王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與分析[M].北京：清華大學出版社，2004：7.

[8]文斌.管接頭和管件選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2005：75.

NUMERICAL SIMULATION OF THE INTERAL FLOW CHANNEL OF THE ELECTRIC CHECK VALVE BASED ON THE CFD AND IMPROVEMENT DESIGNING

ZHOU Ming-jian1TANG Ling-feng1WANG Yu-qin2
（1 School of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu Anhui 241000）
（2 Department of Physics and Electronics of Chaohu University，Chaohu Anhui 238000）

Electric check valve is an important component of the liquid transportation.Due to the traditional design of the valve rarely design the interal flow channel,standing in the point of the fluid flow,the flow resistance coefficient is bigger,easy to cause the certain local pressure loss.The flow direction of the fluid is changing when it passed through the mouth of the valve,and there would be the flow phenomenon,which make the valve strong destructive and reduce the service life of the valve,such as local eddy current,cavitation,water hammer and dead zones,Turbulent pulse noise,etc.The interal flow channel of the Electric check valve that is in the state of the all open is numerically simulated with CFD approach based on Reynolds-averaged N-S equations(RANS equations)and RNG k-ε model,and the total pressure figure,velocity vector diagram,turbulence intensity map are obtained.Through numerical simulation,the flow process of the fluid in the valve can be directly displayed.It can reduce the pressure loss of the import and export around 30%,narrow the area of the mutational speed,make the phenomenon that the local eddy current disappeared,and lessen the intensity of turbulence around 15%,by improvement designing,such as change the length and curvature of the import and export part of flow channel, and alter the layout of stem of valve,etc.

Electric check valve；interal flow channel；numerical simulation；improvement designing；CFD

TB24

A

1672－2868（2011）06－0075－05

2011-10-21

周明健（1987-），男，安徽人，碩士在讀，研究方向：流體機械設計與控制

責任編輯：宏 彬