軸流式止回閥的數(shù)值模擬及減阻優(yōu)化

何東亭 許世法 尹 洋

（1.西華大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都 610039；2.成高閥門有限公司，成都 610031）

軸流式止回閥具有運行平穩(wěn)、流阻小、水擊壓力小、噪聲低、密封性好以及介質(zhì)壓力變化響應(yīng)速度快等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于油氣運輸[1]。設(shè)計使用部門在為工藝流程選用管網(wǎng)動力設(shè)備和核算能耗時，均以閥門的流體阻力系數(shù)作為壓力損失的計算參數(shù)。此外，制造部門將閥門的阻力系數(shù)作為改進(jìn)閥門結(jié)構(gòu)和設(shè)計節(jié)能產(chǎn)品的重要依據(jù)[2]。因此，在設(shè)計和生產(chǎn)閥門時要盡可能降低閥門的流阻系數(shù)。本文以NPS10 Class1500軸流式止回閥的流道形狀為研究對象，將流道形狀參數(shù)化，利用Fluent軟件，結(jié)合響應(yīng)面優(yōu)化法，對軸流式止回閥流道形狀進(jìn)行優(yōu)化，得出相對于傳統(tǒng)軸流式止回閥具有更小流阻系數(shù)的新型軸流式止回閥流道形狀，并以此提出一種方便簡單、高效的優(yōu)化方法，同時運用到實際的閥門設(shè)計生產(chǎn)中，降低了閥門企業(yè)的設(shè)計周期和開發(fā)成本。

1 優(yōu)化方法及流程

軸流式止回閥流道形狀由閥體和閥瓣的多段結(jié)構(gòu)曲線決定。這些圓弧曲線半徑即優(yōu)化的設(shè)計變量。響應(yīng)面分析法即響應(yīng)曲面設(shè)計方法（Response Surface Methodology，RSM），是利用合理的試驗設(shè)計方法，通過實驗得到數(shù)據(jù)，采用多元二次回歸方程擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，利用對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)參數(shù)，從而解決多變量問題的一種統(tǒng)計方法。選擇響應(yīng)面優(yōu)化法中的Optimal Space-Filling Design響應(yīng)面設(shè)計實驗類型和Kriging[3]響應(yīng)面類型，在設(shè)計變量的取值范圍內(nèi)均勻取值，避免隨機誤差的存在。

優(yōu)化流程主要包括流阻系數(shù)分析和優(yōu)化分析，如圖1所示。首先，將軸流式止回閥水體模型簡化為二維模型，并用Fulent軟件對待優(yōu)化的軸流式止回閥進(jìn)行流場數(shù)值模擬，得出閥門凈壓差，并計算優(yōu)化前軸流式止回閥的流阻系數(shù)。其次，將軸流式止回閥流道模型參數(shù)化，采用響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行優(yōu)化分析。最后，用Fulent軟件對優(yōu)化后的軸流式止回閥進(jìn)行流場數(shù)值模擬，并計算出流阻系數(shù)，再對比優(yōu)化前后的流阻系數(shù)，以判斷優(yōu)化是否成功。

2 優(yōu)化前流阻系數(shù)數(shù)值模擬

按照《閥門 流量流阻系數(shù)和流阻系數(shù)實驗方法》[4]對軸流式止回閥的流阻系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出軸流式止回閥的凈壓差和平均流速。按流阻系數(shù)ζ的計算公式，計算出軸流式止回閥的流阻系數(shù)。

圖1 優(yōu)化流程

流阻系數(shù)ζ為：

式中：?pV為軸流式止回閥的凈壓差，單位為kPa；V為軸流式止回閥內(nèi)的平均流速，單位為m·s-1；ρ為水的密度，單位為 kg·m-3。

實際軸流式止回閥三維模型數(shù)值模擬計算量太大，因此將三維模型簡化為軸對稱的二維模型，如圖2所示。選用Fluent軟件里的k-ε模型對其進(jìn)行數(shù)值模擬[5]。流體介質(zhì)為水，密度為 998.2 kg·m-3，動力黏度為 0.001 003 N·s·m-2。一共進(jìn)行5組實驗，進(jìn)口邊界條件分別為9.0 m·s-1、8.4 m·s-1、7.8 m·s-1、6.8 m·s-1、5.9 m·s-1，壁面為無滑移壁面的數(shù)值模擬，最后計算得出軸流式止回閥5組邊界條件下的流阻系數(shù)分別為3.194、3.195、3.198、3.2、3.205，平均流阻系數(shù)為3.198。

3 優(yōu)化及結(jié)果對比分析

首先對軸流式止回閥流道模型進(jìn)行參數(shù)化，并將閥瓣和閥體的部分關(guān)鍵圓弧曲線半徑作為設(shè)計變量，如圖3所示。根據(jù)實際加工精度和設(shè)計經(jīng)驗，保證優(yōu)化后的流道形狀不出現(xiàn)畸形，給定每個設(shè)計變量的變化范圍為3 mm≤R1≤ 15 mm、90 mm ≤R2≤ 160 mm、60 mm ≤R3≤120 mm、180 mm≤R4≤280 mm、150 mm≤R5≤210 mm。

圖2 流道形狀二維模型

圖3 設(shè)計變量

閥門內(nèi)部流場仿真的流體介質(zhì)和邊界條件等與優(yōu)化前的第1組數(shù)值模擬相同。將Fluent計算得出的凈壓差?pV設(shè)為目標(biāo)函數(shù)，且0 kPa≤R2≤130.732 kPa。根據(jù)此凈壓差，利用式（1）計算出優(yōu)化后的流阻系數(shù)。最終選取優(yōu)化后流阻系數(shù)最小的5組，根據(jù)實際加工精度對各設(shè)計變量進(jìn)行適當(dāng)取整，且對每組均進(jìn)行與優(yōu)化前相同條件下的流場數(shù)值模擬。5組優(yōu)化結(jié)果及其流阻系數(shù)如表1所示，可見優(yōu)化后的軸流式止回閥相對于優(yōu)化前閥門的流阻系數(shù)降低了20%左右。

表1 優(yōu)化結(jié)果及其流阻系數(shù)

4 結(jié)語

針對依靠設(shè)計經(jīng)驗設(shè)計的傳統(tǒng)軸流式止回閥存在較大的流阻系數(shù)的問題，結(jié)合有限元仿真技術(shù)和響應(yīng)面優(yōu)化法，提出了新的閥門減阻設(shè)計優(yōu)化方法。按照國家標(biāo)準(zhǔn)試驗得出軸流式止回閥的流阻系數(shù)，對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗證，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的軸流式止回閥相對于優(yōu)化前閥門的流阻系數(shù)降低了20%左右。