綠色再制造應(yīng)用于軸流式止回閥的計算分析

王舒，余曉明，劉亞杰

（200093上海市 上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院）

0 引言

綠色再制造可最大限度提高廢舊產(chǎn)品的使用價值，是發(fā)展建設(shè)循環(huán)經(jīng)濟和節(jié)約資源型社會的必然要求[1]。綠色再制造作為促進經(jīng)濟循環(huán)發(fā)展、提高資源利用效率的有效途徑，被認(rèn)為是實現(xiàn)環(huán)境友好型的必然要求[2-3]。

在綠色再制造技術(shù)的應(yīng)用研究上，吳萍[4]等對陶瓷涂層的研究，結(jié)果表明,該陶瓷涂層具有很好的耐磨、耐高溫和耐腐蝕的性能，能形成很好的保護層，延長設(shè)備的使用壽命；張石堅[5]采用高分子陶瓷涂層對轉(zhuǎn)槳式發(fā)電機組的轉(zhuǎn)輪室內(nèi)部氣蝕造成嚴(yán)重侵蝕的內(nèi)流表面進行修復(fù)，試驗發(fā)現(xiàn)該方法可在確保被修復(fù)的氣蝕區(qū)域的強度和精度符合運行條件的基礎(chǔ)上，有效提高轉(zhuǎn)輪室表面的光滑度，降低發(fā)電機組內(nèi)部的水力損失。

在止回閥的流場分析研究上，Veenstra[6]等介紹了一種用于驅(qū)動吸附式壓縮機的止回閥的研制過程。該止回閥采用的金屬密封使其滿足在50 K的工作溫度下，可以承受非常低的回流率；Botros[7]等通過分析止回閥在工作狀態(tài)下的內(nèi)部組件運動情況，發(fā)現(xiàn)當(dāng)最小流量下的最大水動力小于彈簧的力時，閥瓣不能被完全打開，這種情況下，流體的運動會對內(nèi)部組件造成較大沖擊，同時會導(dǎo)致閥瓣發(fā)生振動；An Hailing[8]等基于數(shù)值模擬的方法對閥芯的3種不同結(jié)構(gòu)進行分析，進而得出閥體內(nèi)部3種結(jié)構(gòu)下的流體靜壓分布情況；杜強[9]等通過對比不同工況下止回閥的模擬計算結(jié)果和試驗結(jié)果，驗證了在工程應(yīng)用中CFD模擬的可靠性，也為對防水錘球形止回閥的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

本文的主要內(nèi)容是對止回閥在100%開度、不同體積流量和不同的內(nèi)流表面粗糙度狀況（并對比使用綠色再制造技術(shù)對軸流式止回閥表面進行高分子超滑陶瓷（EB203）涂層工藝技術(shù)處理）進行了數(shù)值模擬與結(jié)果分析，能夠為企業(yè)節(jié)能降耗技術(shù)改造提供計算參考。

1 軸流式止回閥工作原理及其結(jié)構(gòu)特點

圖1為軸流式止回閥的結(jié)構(gòu)示意圖。作用在閥瓣上的流體靜壓力及流體沖量共同決定著閥門的開啟和關(guān)閉[10]。由于閥瓣和閥座間的距離較短，故閥門在很短的時間內(nèi)就可以達到完全關(guān)閉狀態(tài)，這在一定程度上防止了流體介質(zhì)的倒流現(xiàn)象，減弱了流體倒流對轉(zhuǎn)動設(shè)備產(chǎn)生的不利影響，進而保護上游設(shè)備與管道的安全運行[10-11]。

圖1 軸流式止回閥結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of axial flow check valve

2 模型建立與網(wǎng)格劃分

為穩(wěn)定軸流式止回閥進出口處的流場壓力分布，對其進出口端分別增加閥門5倍公稱直徑長度管道和10倍公稱直徑長度管道。圖2為軸流式止回閥的三維模型。

圖2 軸流式止回閥的三維模型Fig.2 3D model of axial flow check valve

本文選擇等效沙粒粗糙度模型對軸流式止回閥進行不同粗糙度下的數(shù)值模擬分析[12]。等效沙粒模型是假設(shè)用緊密排列在光滑壁面上的半徑相等的小球來模擬真實壁面的粗糙情況。如圖3所示為等效沙粒粗糙度模型，圖中的KS為等效沙粒粗糙度高度。

圖3 等效沙粒粗糙度模型Fig.3 Equivalent sand roughness model

由于在軸流式止回閥的開啟與關(guān)閉過程中，閥內(nèi)實際工作介質(zhì)（如多相流等）對閥瓣的侵蝕作用較大，且根據(jù)軸流式止回閥的內(nèi)流表面的侵蝕和磨損狀況來看，閥瓣的侵蝕和磨損程度相較于其他內(nèi)流表面來說往往更為嚴(yán)重，為了使模擬的結(jié)果更加接近實際情況，針對軸流式止回閥關(guān)鍵部件被嚴(yán)重侵蝕和磨損造成其內(nèi)流表面粗糙度大幅增加的程度，進行如表1所示的3種不同的侵蝕和磨損狀況下的粗糙度設(shè)置：

表1 不同的侵蝕和磨損狀況下的粗糙度設(shè)置Tab.1 Roughness settings under different erosion and wear conditions

在對軸流式止回閥進行網(wǎng)格劃分時，對軸流式止回閥的閥瓣區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理，并運用ICEM-CFD的網(wǎng)格光順功能對其進行網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)化處理。軸流式止回閥計算流域的網(wǎng)格如圖4所示，網(wǎng)格單元數(shù)為3 922 771，節(jié)點數(shù)為599 474，整體網(wǎng)格質(zhì)量不低于0.3，且其中質(zhì)量超過0.7的網(wǎng)格數(shù)量高達90%以上，整體網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖4 軸流式止回閥網(wǎng)格圖Fig.4 Grid diagram of axial flow check valve

3 控制方程與邊界條件設(shè)置

由于本文所分析的軸流式止回閥案例中的流體為不可壓縮流體，則流體密度ρ為定值，ux，uy，uz分別為速度矢量u在X，Y，Z方向的分量。質(zhì)量守恒方程又名連續(xù)性方程，其表達式為

依據(jù)動量守恒定律的含義，可導(dǎo)出其在X，Z，Y方向的動量守恒方程

式中：p——流體微元體的壓強；fx，fy，fz——單位質(zhì)量力在X，Y，Z方向上的分量，若質(zhì)量力只有重力，且Z軸為垂直向上，則fx=fy=0，fz=-g。τxx，τxy，τxz——由分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力τ 的分量。

廣義內(nèi)摩擦定律（本構(gòu)方程）：

式中：μ——動力粘度；λ——第二粘度。將式（3）代入式（2）可得

Fluent求解過程中，工作介質(zhì)為不可壓縮的液態(tài)水，計算模型選用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε 湍流模型，速度與壓力耦合方法為SIMPLE算法，采用速度進口和壓力出口作為進口與出口邊界條件[13]。

4 軸流式止回閥的流場分析

圖5—圖7分別為軸流式止回閥在100%開度，體積流量為570 m3/h，受到侵蝕和磨損狀況1工況下的中心截面的壓力云圖、速度云圖和速度矢量圖。

由圖5的壓力云圖可見，軸流式止回閥內(nèi)部的壓力呈軸對稱分布。整體來講，流體沿著軸流式止回閥流道的方向壓力呈現(xiàn)有規(guī)律的均勻變化，在進出口管道區(qū)域壓力均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢；在閥瓣和閥體間所組成的喉部區(qū)域及閥座區(qū)域，由于過流面積的變化，壓力呈現(xiàn)出先減小后增加的過程；在閥瓣的頂部，由于流體的沖擊作用，壓力逐漸增加并達到最大值，形成局部高壓區(qū)域。

圖5 中心截面壓力云圖Fig.5 Pressure cloud map of center section

由圖6的速度云圖和圖7的速度矢量圖可見，速度呈對稱分布，流體在流道的喉部區(qū)域及閥座區(qū)域，流體的速度變化較為劇烈，且最大流速出現(xiàn)在閥座底部區(qū)域，這是由于此處的過流面積最小，而體積流量為定值，所以此處的速度達到最大值；在閥瓣的頂部區(qū)域，流體出現(xiàn)了滯止的情況；在內(nèi)流道過流面積突變的位置，如軸流式止回閥喉部靠近閥體區(qū)域、導(dǎo)流罩內(nèi)部區(qū)域、閥桿底部及閥體的出口部位，流體出現(xiàn)了回流及二次流的情況，這進一步增加了流體的局部壓力損失。

圖6 中心截面速度云圖Fig.6 Velocity cloud of center section

圖7 中心截面速度矢量圖Fig.7 Velocity vector diagram of center section

5 綠色再制造技術(shù)改造前后的止回閥流場分析

對100%開度、不同體積流量（100，200，300，400，500，570 m3/h）和不同侵蝕和磨損（侵蝕和磨損狀況1～3與應(yīng)用EB203涂層修復(fù)）的軸流式止回閥進行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬分析，計算出來的進出口壓力損失結(jié)果如表2所示。

表2 100%開度、不同流量和不同侵蝕和磨損狀況下的進出口壓力損失Tab.2 Pressure losses at inlet and outlet under 100% opening,different flow rates and different erosion and wear conditions

為了便于與經(jīng)綠色再制造技術(shù)處理后的止回閥進行比較，將不同受侵蝕和磨損狀況下的壓力損失值與經(jīng)過高分子超滑陶瓷（EB203）涂層處理后的壓力損失值進行差處理，所得到的壓力損失差作為表征，經(jīng)綠色再制造后降低進出口壓力損失的能力。如圖8所示以壓力損失差為縱坐標(biāo)，作出“流量——壓力損失差值”曲線圖。

圖8 不同粗糙度狀況與綠色再制造后的“流量—壓力損失差”曲線Fig.8 "Flow-pressure loss difference" curve of different roughness and green remanufacturing

由圖8可見，在開度和流量相同的情況下，壓力損失差值隨著粗糙度的增加而變大，表明粗糙度越大的內(nèi)流表面的壓力損失越大。在開度和侵蝕和磨損狀況相同的情況下，壓力損失差值隨著流量的增加而變大。因此對內(nèi)流表面被侵蝕和磨損嚴(yán)重的軸流式止回閥，通過運用綠色再制造工藝技術(shù)，在一定程度上可以降低軸流式止回閥進出口的壓力損失。

6 結(jié)論

（1）流體在過流面積突變的位置速度變化劇烈；在閥瓣的頂部區(qū)域產(chǎn)生流體滯止的情況；在止回閥喉部區(qū)域、導(dǎo)流罩內(nèi)部區(qū)域、閥桿的底部區(qū)域及止回閥的出口處，流體出現(xiàn)漩渦及二次流；在同一開度與磨損狀況下，由于流體流動過程中對內(nèi)流表面的沖擊作用，進出口的壓力損失隨著流量的增加而變大。

（2）通過對被侵蝕和磨損的軸流式止回閥內(nèi)流表面應(yīng)用綠色再制造表面高分子超滑陶瓷（EB203）涂層工藝技術(shù)處理，可以延長其使用壽命并具有一定程度的節(jié)能降耗效果。