CFD 技術(shù)在電動截止閥三維流場數(shù)值模擬中的應用

朱鳳霞 齊洪方 汪 芳 談 劍 孫文文 王 鵬

（1.武漢華夏理工學院，武漢 430223；2.武漢中地先進技術(shù)研究院有限公司，武漢 430000）

截止閥是重要的流體輸送裝置。當介質(zhì)流經(jīng)截止閥時，由于截止閥的結(jié)構(gòu)和啟閉動作，會引起介質(zhì)出現(xiàn)復雜流動狀態(tài)，若結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，可能會造成流體輸送系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲、振動和能量損失，甚至會造成截止閥閥瓣和壁面磨損嚴重以及輸送管路不能正常使用等問題[1]。傳統(tǒng)的閥門設(shè)計方法主要依靠設(shè)計經(jīng)驗與數(shù)據(jù)，不能有效地進行流道設(shè)計，尤其是不能精確地得到閥門內(nèi)部介質(zhì)流動狀態(tài)和詳細數(shù)據(jù)。

計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）是以不同的流動介質(zhì)為研究對象，通過數(shù)值計算模擬流體流動時的各種物理現(xiàn)象，從而獲得仿真力學數(shù)據(jù)。運用CFD 技術(shù)進行截止閥的研發(fā)設(shè)計，可直接通過模擬計算得出閥門內(nèi)部的流場狀態(tài)，且后處理模塊可以采用數(shù)據(jù)、圖像等直觀的方法顯示計算結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果，可以進行閥門結(jié)構(gòu)的改進，從而提升設(shè)計質(zhì)量、縮短研發(fā)周期，對截止閥性能優(yōu)化有一定的指導意義。

本文將CFD 理論應用于電動截止閥流場數(shù)值模擬，研究其內(nèi)部流動介質(zhì)的壓力、速度以及流動路徑等流場特性，計算結(jié)果由云圖和矢量圖直觀表示，通過分析其壓力、速度變化情況和介質(zhì)流動路徑，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，為改善閥門性能提供了理論依據(jù)[2]。

1 截止閥流道模型

1.1 幾何模型

截止閥結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其公稱直徑為100 mm，總長為560 mm，公稱壓力為10 MPa，介質(zhì)從右側(cè)管道入口流入，經(jīng)過支持套、閥瓣、閥座，從左側(cè)出口管道流出。用建模軟件建立截止閥的三維模型，并抽取出其流道模型，然后使用ANSYS Workbench 平臺中的網(wǎng)格劃分工具，對截止閥流道模型進行網(wǎng)格劃分，其中帶有節(jié)流結(jié)構(gòu)的支持套和閥瓣是閥門控制流量及壓力的核心部件，為了提高仿真計算的精度，需要對節(jié)流裝置附近的流道進行網(wǎng)格加密，共計劃分610 321 個單元，截止閥流道有限元模型如圖2 所示。

圖1 截止閥結(jié)構(gòu)

圖2 流道有限元模型

1.2 湍流模型

工程實際應用中，介質(zhì)流動狀態(tài)一般為湍流，流動情況高度復雜，且流動速度、方向隨機變化，各流動層相互摻雜。在涉及湍流的計算中，要對介質(zhì)建立適當?shù)耐牧髂Ｐ停员ＷC仿真分析更接近實際情況。本次分析采用標準k-ε模型。

1.3 控制方程

流體介質(zhì)流動情況遵循物理守恒定律，CFD 分析原理是通過建立相應的控制方程，采用數(shù)值計算和圖像處理功能，求解復雜的流場問題。本文三維流動模擬采用雷諾N-S方程和標準k-ε模型進行數(shù)值模擬。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

截止閥流場特性分析的求解思路采用穩(wěn)態(tài)計算方法，在計算前給定閥門的開口開度，然后在固定開度下對截止閥進行流場計算，流道模型是閥瓣開啟到最大高度的狀態(tài)，邊界條件設(shè)置為：速度進口的速度為10 m?s-1，壓力出口的壓強為10 MPa，流體介質(zhì)為氣體，壁面設(shè)置為固壁邊界條件，壓力-速度耦合采用SIMPLE 算法[3]。

2.2 模擬結(jié)果分析

計算迭代收斂后，在Workbench 平臺后處理軟件CFD-Post 中讀取結(jié)果，并可視化處理數(shù)值模擬計算的結(jié)果信息，包括壓力、速度、路徑等，通過數(shù)據(jù)分析，可以獲得閥門各種工作狀態(tài)下的流場特性。

2.2.1 速度分布

流道內(nèi)介質(zhì)處于穩(wěn)態(tài)時，截止閥XZ、YZ 截面速度分布矢量圖如圖3 所示，由圖3 可以看出，閥內(nèi)流動狀態(tài)比較穩(wěn)定，介質(zhì)從右側(cè)管道流入，經(jīng)支持套節(jié)流孔流入閥瓣下方的閥座，再從左側(cè)管道流出。由于入口管道向上傾斜的結(jié)構(gòu)特點，閥入口的下方有低速區(qū)，在流體流過支持套圓周分布的節(jié)流孔時，入口側(cè)速度較高。流體通過支持套和閥瓣后，在閥座左下方形成一個高速區(qū)，閥體下側(cè)偏向入口處的一側(cè)形成低速區(qū)，此處流道介質(zhì)流動狀態(tài)差別較大。介質(zhì)到達出口段時，此處流道的介質(zhì)集中在管道的下側(cè)，形成高速區(qū)，從而對流道壁面形成沖刷，此時整個出口段速度梯度較大，會產(chǎn)生一定的流動損失。

圖3 流場速度矢量圖

2.2.2 壓力分布

截止閥XZ、YZ 截面壓力云圖如圖4 所示，由圖4 可知，截止閥進出口壓力分布比較均勻，閥體部分壓力變化大，進出口壓力差較大，并且閥體上部壓力梯度較大，XZ 截面兩側(cè)壓力大于YZ 截面兩側(cè)壓力。另外，閥體中間區(qū)域壓力梯度變化較大，這是由于流體通過支持套節(jié)流口后形成對流，從而產(chǎn)生了該壓力分布特點。

圖4 流道壓力圖

2.2.3 流動特征

根據(jù)后處理結(jié)果的壓力、速度、流體路徑圖，反映出了流體在閥門內(nèi)的運動狀態(tài)和趨勢，閥門右側(cè)管道入口段流動狀態(tài)穩(wěn)定，介質(zhì)流過支持套節(jié)流孔后，在閥體內(nèi)流動情況變得較復雜，形成了明顯的對流區(qū)，并在閥體右下部形成渦流，由于此處流速較低，渦流容易形成湍動，從而引起流動能量損失和閥體振動。在出口段，流體的對流情況逐漸變?nèi)酰荛y體內(nèi)對流情況的影響，在出口段流道上部會出現(xiàn)渦流，由于此處介質(zhì)流速底，渦流的反向流動會影響主流流動，從而使流阻變大，造成水頭損失[4]。

3 結(jié)論

針對電動截止閥的工作狀態(tài)特點，用計算流體力學理論，模擬截止閥流場的壓力、速度、路徑等流場特性，其中支持套均布的節(jié)流孔可減少介質(zhì)對閥瓣的沖刷和腐蝕，但會使介質(zhì)流過節(jié)流口后形成較復雜的對流。由于閥體下半部分曲率半徑較大，會使閥體右下部和出口段上部出現(xiàn)漩渦，因此在設(shè)計閥門時可考慮合理設(shè)置此處曲率，以減小渦流范圍，減少流阻，降低流動損失，提升閥門性能。