軸流式止回閥數值模擬研究

□ 馮 明

神木職業技術學院 陜西榆林 719300

1 研究背景

軸流式止回閥流道采用文丘里結構設計,與其它類型止回閥相比,具有開關響應迅速、流阻小、壓降小、水錘小等優異性能,廣泛應用于煉油、煉化及長輸管線系統。筆者應用ANSYS Workbench軟件對軸流式止回閥進行數值模擬,對不同開度進行分析,研究軸流式止回閥開啟時內部流場變化,為閥門的設計和優化提供參考。

2 結構

軸流式止回閥的結構如圖1所示,主要由閥座、閥芯、彈簧、導流罩、閥體等組成。

3 模型

根據軸流式止回閥的結構特點,在保證準確性的基礎上對軸流式止回閥模型進行必要的簡化。簡化模型需遵循以下原則:不改變模型的基本特征,簡化后模型質量和網格質量有明顯提高。

應用SolidWorks軟件建模,并進行簡化,軸流式止回閥模型如圖2所示。

4 流阻因數

流阻因數是一個無量綱量,屬于閥門的固有屬性,表征閥門對流動介質的阻力。流阻因數越大,表示閥門對流動介質的阻力越大,能量損失也越大。流阻因數ξ為:

(1)

式中:Δp為閥門前后壓差;ρ為閥門內介質密度;v為管道內介質平均流速。

5 網格劃分

軸流式止回閥流動空間具有對稱性,為了減小計算量,選取1/2流道作為計算域。根據相關標準,在軸流式止回閥進口端面設置5倍閥門公稱直徑長度的管道,在出口端面設置10倍閥門公稱直徑長度的管道。

采用不同尺寸對流道進行網格劃分,軸流式止回閥全開時計算域網格如圖3所示,共有1 148 131個單元。

6 數值模擬

應用Fluent軟件進行數值模擬。選用標準k-ε雙方程湍流模型,介質為水,密度為998.2 kg/m3,動力黏度為0.001 003 Pa·s。采用穩態壓力基求解器,選用Simple算法,邊界條件選擇速度進口和壓力出口。

選取軸流式止回閥10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和全開十個不同開度進行穩態分析,得到不同開度下軸流式止回閥內部壓力、速度分布情況。開度20%、50%和全開時的軸流式止回閥內部壓力、速度分布如圖4～圖9所示。

由圖4可以看出,在20%開度時,軸流式止回閥閥瓣前后區域分別為高壓區和低壓區。由圖5可以看出,在20%開度時,軸流式止回閥密封面處流通面積最小,流速達到最大,在A、B位置產生渦流。由圖6、圖7可以看出,50%開度與20%開度相比,軸流式止回閥密封面處流通面積較大,附近壓力變化較為平緩,流過密封面的速度相對較小,在A、B位置渦流強度較低。由圖8、圖9可以看出,軸流式止回閥內部壓力呈現對稱分布,閥瓣前端區域形成局部高壓,壓力變化平緩,內部介質流動順暢,沒有渦流阻礙介質正常流動,流體阻力達到最小。

數值模擬得到的不同流速下軸流式止回閥進出口壓差與流阻因數見表1。由表1可知,隨著流速的增大,軸流式止回閥進出口壓差增大,流阻因數變化則很小。原因是軸流式止回閥的流阻因數只與內部結構、開度有關,開度不變時,流阻因數為恒定值。

表1 軸流式止回閥進出口壓差與流阻因數數值模擬結果

7 試驗驗證

為了對數值模擬結果進行驗證,判斷數值模擬在軸流式止回閥分析中的適用性,進行了試驗驗證。試驗系統如圖10所示,包括水循環系統、動力系統、管道、數據收集系統、穩壓裝置、自動控制系統等。按照GB/T 30832—2014《閥門 流量系數和流阻系數試驗方法》要求,將壓力和流量的采集點分別設置在軸流式止回閥前5倍閥門直徑長度的管道位置和軸流式止回閥后10倍閥門直徑長度的管道位置,以保證管道壓力的穩定性和數據的可靠性。試驗實物如圖11所示。

通過試驗,得到不同流速下軸流式止回閥進出口壓差與流阻因數,見表2。

8 結果對比

由表1、表2繪制軸流式止回閥進出口壓差與流阻因數變化曲線,分別如圖12、圖13所示。

表2 軸流式止回閥進出口壓差與流阻因數試驗結果

從圖12和圖13 可以看出,當流速大于2 m/s時,軸流式止回閥進出口壓差、流阻因數的數值模擬結果與試驗結果很接近,流阻因數不隨流速的增大而改變,基本保持不變。軸流式止回閥進出口壓差隨流速的增大而增大,進出口壓差和流速呈現二次曲線變化。流速小于2 m/s時,試驗結果比數值模擬結果大,這是因為數值模擬時選用軸流式止回閥全開狀態,流道不會發生改變,而試驗時軸流式止回閥開度會隨流速變化而變化,當流速小于2 m/s時,軸流式止回閥并未達到全開狀態。軸流式止回閥進出口壓差數值模擬結果與試驗結果誤差見表3。

表3 軸流式止回閥進出口壓差數值模擬結果與試驗結果誤差

流速大于2 m/s時,軸流式止回閥流阻因數試驗結果平均值為1.7,數值模擬結果平均值為1.633,兩者的誤差為3.94%。由此可見,數值模擬可以有效且準確地分析軸流式止回閥的流場特性,能夠為閥門的設計和優化提供參考。