基于ANSYS Workbench的直通式截止閥流道的分析

陳 鵬，張 寒，羅 雙，樊學良，陳廷兵

(1.成都大學機械工程學院，四川成都610106； 2.成都創奇汽車制造有限公司，四川成都611830；3.成都工業學院機械工程學院，四川成都610031)

0 引言

直通式截止閥在生活和工業生產中已經得到了廣泛的運用，其應用在流體的控制中耐磨性與密封性較好，開閉容易，易操作，產品的生產難度不高，方便維護，在中低壓與高壓管道中都可以使用。直通式截止閥工作原理：利用閥桿壓力，讓閥瓣密封面與閥座密封面緊密結合，阻止流體介質在閥道之中流通，同時也可以用來調節流體流量的大小。由于截止閥內流道液體會對截止閥殼體造成沖擊與腐蝕，所以通過對截止閥內部的復雜流道流場進行數值模擬，分析閥門內部流場壓力的特性變化，從中得出流體介質會對閥體具體哪一部分造成損傷。

1 研究內容

截止閥內部的流場數值研究分析已成為該領域研究的熱點，以我們所建立的截止閥模型為研究對象，選取截止閥在常溫，低壓(PN16)，公稱壓力DN為50的條件下進行截止閥內部流場的數值分析。首先要對手動直通式截止閥進行結構上設計，利用Solidworks進行三維建模，然后將其中的流道模型導入ANSYS軟件進行我們所需要的分析計算。運用其中的Fluent、CFD模塊來模擬通過閥道的介質在閥道中所產生的漩渦、水錘等介質狀況進行準確的分析，為介質對閥道的沖擊預測和防范及流道的結構優化提供一些理論基礎。

2 直通式截止閥的模型建立

圖1 閥體結構圖

為了更直觀地了解直流式截止閥的結構形式與運動狀態，為接下來的流場分析提供模型，首先對于我們所設計直流式截止閥進行三維建模，構成一個完整的閥體結構。所建立的直通式截止閥模型如圖1。

對直通式截止閥結構進行三維建模之后，通過剖面圖可以直觀清晰的了解到截止閥體腔內流道的結構。現參考裝配體剖面圖，單獨對截止閥體腔內流道進行三維建模，針對閥瓣的不同開度。分別建立如圖2：直通式截止閥閥瓣的閥開度分別為公稱直徑0%(1 mm)、15%、30%、45%時的四種流道狀態外部結構相同的三維模型。

圖2 流道外觀圖

3 直流式截止閥流體場分析

3.1 直流式截止閥網格劃分

圖3 直流式截止閥生成的網格

在ANSYS軟件中用來分析流體運動的是Fluent模塊，對直通式截止閥的結構分析不是運用其幾何模型，而是需要對其幾何模型進行網格劃分。首先根據機械結構尺寸利用SolidWorks三維軟件繪制出該結構的三維模型。然后由幾何模型的外觀形狀來看，在該分析中的網格劃分應采用Gambit模塊網格的劃分方式，因為Gambit模塊網格常用在圓或圓弧模型，同時Gambit模塊根據自己的運算可生成復雜流道[1]。在網格劃分時，因閥體底部區域受力較大則需要對底部局部地方進行網格細化，故在該區域的網格劃分相對要密集一些，劃分后的內部流場如圖3。

3.2 確定流體邊界條件

分析結果是否準確取決于流體邊界條件的設置。該流體的仿真運用的是Fluent模塊，由于仿真時設置的流體狀態是在理想狀態下。在該閥體中流過的介質選用水，其密度為1000 kg/m3，動力黏度設置為0.001055 kg/ms，公稱壓力為1.6 MPa，流體進入的閥體是湍流狀態，則需要運用k-e模型。入口的速度條件設置為1.5 m/s，出口為自由出口，壁面條件為靜止壁面[2-3]。

3.3 Fluent計算設置

首先進入Fluent的計算編輯模塊，選擇計算單位，然后進行參數設置，再一個就是設置求解器，在求解器設置中需要選擇Pressure-Based(基于壓力法求解器)，使用壓力修正算法，擅長求解不可壓縮流動；在Velocity Formulation中選擇Absolute(絕對速度)；在Time中選擇Steady(穩態)。截止閥中的介質在里面流動時，由于閥體內部結構的復雜性，將會使速度在閥體中有較多的變化，形成湍流。因此，本文選用湍流模型對流體場進行分析。而選用標準k-e模型因為其是湍流模型中應用最廣的模型，其具有較高的穩定性、經濟性和精度[4]。計算結果如圖4。

圖4 計算結果的殘差曲線

4 Fluent 流場分析結果比較

閥體在不同開度情況下所受力不同，且不同的開度在一定條件下也控制著閥體流量的大小，所以要對直通式截止閥的流道進行有限元分析，研究閥體流道的具體受力情況，可以從截止閥的壓力圖和流線圖的對比中看出趨勢和規律。

圖5 壓力圖對比

圖6 流線圖對比

通過對流道的有限元分析可以看出：在閥瓣開啟時，流道所受壓力最大，隨著開度逐漸增加，閥道流速逐漸增加，流道所受力逐漸減小，在開度達到15%～30%時，流速達到最大，再繼續增加開度，對流速的影響可以忽略不計，但通過比較4種狀態可以看出，閥瓣開度越大，閥瓣上壓力的結集范圍越小。在流線圖中也可以清晰看出流體在閥體底部形成渦流，流體在流道中的運動路線也可以找到。這為流道的受力分析，流體沖擊的預測和防范及流道的結構優化提供了一些基本的理論基礎。

5 結論

對閥體的流道進行了簡單的有限元分析，從結構分析中可以看出閥體的進出位于同一水平線上，但是流體介質在通過閥座時會與該水平線呈現出一定的夾角，這樣會改變介質在閥體中的平穩狀態。通過Fluent軟件的分析可以得出在不同開度的情況下介質對閥體的壓力，隨著開度的增加對閥道的壓力減小，從而減少了對閥瓣壓力的沖擊，同時通過分析可以得出壓力在閥壁應力集中的位置。該結果可為閥體的結構設計提供理論數據的支持。