冷壁單動滑閥特性仿真分析*

□ 張龍奎 □ 王亞青 □ 王春雷 □ 劉亞陸 □ 謝 軍

1.中國石油渤海裝備制造有限公司蘭州石油化工裝備分公司 蘭州 730060 2.甘肅省煉化特種裝備工程技術研究中心 蘭州 730060

1 冷壁單動滑閥流量特性曲線仿真

調節滑閥的流量特性影響著整個調節系統的性能,因此其流量特性非常重要。調節閥的流量特性是指閥前后壓差保持不變時,介質通過閥門的相對流量與閥門相對開度之間的關系。調節閥的流量特性有快開、直線、等百分比、拋物線四種,由于在實際應用中調節閥流量特性會發生畸變,等百分比流量特性使額定行程的等量增加會理想地產生流量系數等百分比的改變,因此多采用等百分比流量特性。

等百分比流量特性指閥口每單位相對開度變化所引起的相對流量變化與相對流量成正比的關系,即調節閥的放大因數隨著流量的變化而變化

借助ANSYS軟件中計算流體動力學仿真試驗方法,采用Pro/E三維軟件建立冷壁單動滑閥三維實體模型,將三維實體模型導入ANSYS Workbench仿真軟件,反向建模生成冷壁單動滑閥內流道模型,進行網格劃分,導入CFX流場分析軟件,以連續性方程、三維雷諾平均納維-斯托克斯方程和標準k-ε雙方程為控制方程組,采用有限體積法進行離散,對冷壁單動滑閥內部流場進行仿真分析。

依據 GB/T 30832—2014《閥門 流量系數和流阻系數試驗方法》中對流通能力試驗的規定,計算冷壁單動滑閥在全開條件下的額定流量系數Cv,并模擬計算冷壁單動滑閥不同開度下的流量值,擬合冷壁單動滑閥的流量特性曲線。根據冷壁單動滑閥的實際工況,選取5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%開度對冷壁單動滑閥進行實際工況下的流場模擬計算,得到冷壁單動滑閥不同額定行程的內部流場信息,通過對不同額定行程流動性能的分析研究,為冷壁單動滑閥的設計、優化、選型提供一定參考。

根據GB/T 30832—2014,對以水為介質的閥門、管道過濾器等產品的流量壓力損失、流量系數、流阻系數進行試驗,被試驗產品的流阻系數大于0.1。

筆者以DN650冷壁單動滑閥為例進行試驗,試驗介質為常溫水,流阻系數ζ為:

(1)

式中:ΔPv為被試驗閥門的壓差,kPa,試驗給定為100 kPa;v為試驗管道內的流速,m/s,分析可得管道內平均流速為4.1 m/s;ρ為水的密度,kg/m3,5～38 ℃時為1 000 kg/m3。

取冷壁單動滑閥全開時的平均流速,計算可得滑閥的流阻系數為11.8,大于0.1,符合標準要求。

根據冷壁單動滑閥結構特點,選擇GB/T 30832—2014中的直通式典型試驗系統布置。這一試驗系統布置如圖1所示。

▲圖1 直通式連接試驗閥門典型試驗系統布置

圖1中,L1為用于測量試驗閥門連接管道自身的流量壓差測量管段長度,L2、L3為試驗閥門上下游連接管道取壓點管段長度,L4為試驗閥門下游取壓點后直管段長度,L5為管道取壓點前直管段長度。

建立DN650冷壁單動滑閥的流道模型,如圖2所示。DN650冷壁單動滑閥裝配如圖3所示,基于反向建模抽離的DN650冷壁單動滑閥流道局部如圖4所示,DN650冷壁單動滑閥流道四面體網格劃分如圖5所示。

▲圖2 DN650冷壁單動滑閥流道模型▲圖3 DN650冷壁單動滑閥裝配

▲圖4 DN650冷壁單動滑閥流道局部▲圖5 DN650冷壁單動滑閥流道四面體網格劃分

2 冷壁單動滑閥內部流場

通過ANSYS軟件計算,得到DN650冷壁單動滑閥在不同開度下的速度云圖,如圖6所示。

▲圖6 不同開度下DN650冷壁單動滑閥速度云圖

由圖6可見,在開度逐漸增大的過程中,速度也逐漸增大,高速區域速度為20 m/s左右,且集中于閥體中心,在近壁面處速度最小。在30%到90%開度內,閥體靠近閥蓋一側的閥體下端會形成渦流。

3 冷壁單動滑閥開度面積和閥桿行程關系

冷壁單動滑閥開度面積與行程有一定的對應關系,DN650冷壁單動滑閥閥口形狀為圓方形,如圖7所示,開度面積F為:

▲圖7 DN650冷壁單動滑閥閥口形狀▲圖8 DN650冷壁單動滑閥開度面積與行程關系曲線▲圖9 DN650冷壁單動滑閥流量特性曲線

F={πR2arccos[(R-S)/R]}/180

(2)

F=πR2/2+2R(S-R)S>R

(3)

DN650冷壁單動滑閥全開時面積為96 800 mm2。

在已知冷壁單動滑閥閥開口形狀的前提下,可以得出閥桿在不同行程下與開度面積的關系曲線。根據式(2)、式(3)繪制DN650冷壁單動滑閥開度面積和行程的關系曲線,如圖8所示。由于在小開度面積時滑閥的調節性能非常差,并且實際使用中滑閥兩端的壓差隨著開度面積的變化而變化,所以開度在30%～80%時流量調節性能最好。

4 冷壁單動滑閥流量特性曲線

應用ANSYS軟件后處理模塊測算介質流速,根據Cv計算式,求得DN650冷壁單動滑閥流量特性曲線,如圖9所示。

Cv=1.156Kv

(4)

(5)

Q=V0A

(6)

式中:Kv為閥門流量系數,以5～40 ℃溫度范圍的水流經閥門,兩端壓差為100 kPa,水的單位以m3/h計的流量數值;Q為介質流量,m3/h;ρ0為15 ℃時水的密度,kg/m3;V0為介質流速,m/h;A為冷壁單動滑閥出口處接管面積,m2。

5 結束語

基于ANSYS仿真模擬軟件,對冷壁單動滑閥圓方形閥口的流量系數進行計算,獲得冷壁單動滑閥流量系數及其變化規律。冷壁單動滑閥開度較小時,流量系數增大比較平緩,流量變化小。 隨著開度的增大,流量系數呈現線性變化,流量變化大。當開度達到90%時,流量系數增大趨于平緩。

綜合考慮冷壁單動滑閥開度面積與行程的變化規律形狀、Cv與開度的變化規律,以及冷壁單動滑閥開度在30%～80%之間時調節性等百分比變化,在實際操作冷壁單動滑閥時,應當保證開度在30%～80%范圍內。