基于CFD的電動(dòng)截止閥內(nèi)流道數(shù)值模擬及改進(jìn)設(shè)計(jì)

周明健 唐鈴鳳 王玉勤

（1安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

（2巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）

基于CFD的電動(dòng)截止閥內(nèi)流道數(shù)值模擬及改進(jìn)設(shè)計(jì)

周明健1唐鈴鳳1王玉勤2

（1安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

（2巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽 巢湖 238000）

電動(dòng)截止閥是流體輸送的重要元件.閥的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法很少?gòu)牧黧w角度對(duì)其流道進(jìn)行設(shè)計(jì)，其流阻系數(shù)比較大，容易造成局部壓力損失.流體介質(zhì)通過(guò)閥口時(shí)，流動(dòng)方向發(fā)生變化，可能產(chǎn)生諸如局部渦流、空化、水錘和死水區(qū)等水流現(xiàn)象及湍流脈動(dòng)噪聲，對(duì)閥體有很強(qiáng)的破壞性，降低閥的使用壽命.基于RAN-S方程組和RNG k-ε湍流模型，利用CFD技術(shù)對(duì)全開(kāi)啟狀態(tài)下的電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道進(jìn)行三維的湍流數(shù)值模擬，獲得其總壓圖、速度矢量圖、湍動(dòng)能強(qiáng)度圖.通過(guò)數(shù)值模擬，可以直觀地顯示閥的內(nèi)流道中流體的流動(dòng)過(guò)程.改變進(jìn)出口段流道的長(zhǎng)度、曲率以及閥桿在流道中的布局等，進(jìn)出口的壓力差相對(duì)于未改進(jìn)前減少30%左右，速度突變區(qū)域明顯縮小，局部渦流現(xiàn)象消失，湍動(dòng)能強(qiáng)度也降低了15%左右.

電動(dòng)截止閥；內(nèi)流道；數(shù)值模擬；改進(jìn)設(shè)計(jì)；CFD

1 引言

閥門(mén)是控制管路系統(tǒng)中流體的流動(dòng)方向或調(diào)節(jié)其壓力和流量的重要裝置[1].國(guó)外對(duì)閥門(mén)的研究起步早，在機(jī)械和水力的方面做了大量的研究；而國(guó)內(nèi)對(duì)閥門(mén)的研究主要集中在機(jī)械方面，從流體的角度對(duì)閥門(mén)的研究較少，基本上是依據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)，只注重結(jié)構(gòu)型態(tài)而不注重考慮流阻損失，從而引起較大的能耗，而在實(shí)際的管道工程中，閥的局部水頭損失占管道水頭損失的比例是相當(dāng)可觀的，這使得對(duì)閥門(mén)的選擇和使用長(zhǎng)期處于一種半經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)，主要依靠國(guó)外的技術(shù)資料.為了更加科學(xué)分析閥門(mén)的性能，從流體力學(xué)的角度運(yùn)用數(shù)值模擬方法分析其內(nèi)部流場(chǎng)是十分必要的[2].

近年來(lái)，隨著電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用及數(shù)值計(jì) 算 技 術(shù) 的 發(fā) 展 ，CFD （Computational Fluid Dynamics）技術(shù)得到了蓬勃地發(fā)展，使得對(duì)于大部分的流體力學(xué)問(wèn)題，其中包括對(duì)液壓元件內(nèi)部流道流體流動(dòng)問(wèn)題的數(shù)值研究及可視化研究成為可能.在流體流動(dòng)問(wèn)題的數(shù)值研究方面，張弓[3]利用邊界元法計(jì)算了三種結(jié)構(gòu)的超高速電液比例直動(dòng)式先導(dǎo)閥的腔室的流場(chǎng)；崔銘超[4]利用CFD技術(shù)對(duì)直角截止閥內(nèi)流道進(jìn)行了優(yōu)化.

由于數(shù)值模擬相對(duì)于實(shí)驗(yàn)研究有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，且成本低、周期短，能獲得完整的數(shù)據(jù)，能模擬出實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中所測(cè)數(shù)據(jù)狀態(tài)，對(duì)于設(shè)計(jì)改造等商業(yè)或?qū)嶒?yàn)室應(yīng)用起到重要的指導(dǎo)作用，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量.隨著液壓技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)液壓技術(shù)的要求越來(lái)越高，現(xiàn)代的數(shù)值模擬分析方法在閥等液壓系統(tǒng)元件的設(shè)計(jì)上的應(yīng)用使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能更加符合工程的需要，故CFD技術(shù)在閥門(mén)工業(yè)領(lǐng)域中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用.借助CFD這個(gè)工具可以減少閥門(mén)的設(shè)計(jì)周期，更深地洞悉結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生的影響，避免產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷[5].

本文采用Fluent軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的電動(dòng)截至閥的全流道進(jìn)行不可壓湍流流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算，通過(guò)分析流道的壓力分布、速度分布以及閥的關(guān)鍵幾何尺寸對(duì)其湍流強(qiáng)度等流動(dòng)特征的影響，進(jìn)而對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化.Fluent軟件是由Fluent公司基于Fluent軟件群思想開(kāi)發(fā)的計(jì)算流體力學(xué)軟件，在我國(guó)已得到較好的應(yīng)用.它針對(duì)每一種流體的物理問(wèn)題的特點(diǎn)，采用合適于它的數(shù)值解法以在計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最優(yōu)，減少了研究者在計(jì)算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效率的勞動(dòng)，將更多的精力和時(shí)間投入到考慮問(wèn)題的本質(zhì)，優(yōu)化算法選用，參數(shù)的改變，提高效率地解決各個(gè)領(lǐng)域的復(fù)雜流體計(jì)算問(wèn)題.特別是針對(duì)諸如電磁截至閥的全流道可以很好地保證計(jì)算的收斂和數(shù)值的精度[6].

2 數(shù)學(xué)模型分析

1.1 電動(dòng)截止閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

電動(dòng)截止閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 電動(dòng)截止閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

基于RAN-S方程組和RNG k-ε兩方程湍流模型，采用Simplec算法對(duì)電動(dòng)截至閥的內(nèi)流道進(jìn)行湍流數(shù)值模擬，其控制方程[7]為：

式（1）、（2）中：ui和 uj-分別為時(shí)均速度分量；xi和xj-分別為各個(gè)坐標(biāo)分量；P-時(shí)均壓力；Fi-體積力；μt-湍流動(dòng)力黏性系數(shù).

湍動(dòng)能k和耗散率ε方程分別為：

1.3 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

由于電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道的設(shè)計(jì)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)，本文參照鑄鐵管件[8]中的乙字彎管和90°彎管進(jìn)行類比設(shè)計(jì).本文研究的電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道模型是由進(jìn)口段、閥口段、出口段組成.全開(kāi)啟狀態(tài)下的電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道模型如圖2所示.利用CFD軟件對(duì)其內(nèi)流道進(jìn)行計(jì)算，由于其內(nèi)流道的結(jié)構(gòu)不是很規(guī)則，因此采用混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分.電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道的網(wǎng)格劃分情況如圖3所示.

圖3 電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道的網(wǎng)格劃分

1.4 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

流體介質(zhì)是液態(tài)水.進(jìn)口處采用速度進(jìn)口（velocity inlet），流體介質(zhì)在進(jìn)口處的速度為2m/s，出口處采用出流（outflow）；無(wú)滑移壁面，近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù).

2 數(shù)值模擬及分析

2.1 電動(dòng)截止閥壓力分析

電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道的三個(gè)方位的壓力總圖如圖4所示。電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道主要點(diǎn)壓力分析表如表1所示。

表1 電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道主要點(diǎn)壓力分析表

2.2 電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道速度矢量圖

電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道速度矢量圖如圖5所示，在b點(diǎn)有強(qiáng)的剪切層存在，這樣的剪切層在大雷諾數(shù)流動(dòng)中會(huì)失穩(wěn)卷成漩渦，形成了局部的渦流現(xiàn)象；由于流動(dòng)分離區(qū)的出現(xiàn)，流體在a、c、d點(diǎn)的有效過(guò)流面積減少，速度發(fā)生突變，其中，c、d點(diǎn)的最大速度超過(guò)4m/s.因此需要對(duì)其流道進(jìn)行優(yōu)化，避免這種現(xiàn)象的發(fā)生.

2.3 湍動(dòng)能強(qiáng)度分析

湍動(dòng)能強(qiáng)度表示的是速度梯度的大小.降低湍動(dòng)能值可以降低湍流脈動(dòng)噪聲.電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道湍動(dòng)能強(qiáng)度圖如圖6所示，在e、f、g的湍流強(qiáng)度較大，最大湍動(dòng)能值達(dá)到了93.1m2/s2，需要對(duì)其流道進(jìn)行優(yōu)化，降低其湍動(dòng)能強(qiáng)度.

圖5 電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道速度矢量圖

圖6 電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道湍動(dòng)能強(qiáng)度圖

3 改進(jìn)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬分析

3.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)

改進(jìn)措施：進(jìn)口段直接采用曲率較大的圓弧和一個(gè)小圓弧，消除優(yōu)化前的直線段連接；縮短閥門(mén)打開(kāi)時(shí)的閥蓋到頸部密封面距離；適當(dāng)?shù)卣{(diào)整閥桿在流道中的布局；進(jìn)口段和出口段的銜接處要盡可能平緩，避免流體在轉(zhuǎn)彎處速度發(fā)生突變，速度過(guò)大；出口段利用曲率很大的圓弧和一個(gè)小圓弧連接；對(duì)空化始點(diǎn)、強(qiáng)動(dòng)脈動(dòng)始點(diǎn)等敏感部位作倒角處理.改進(jìn)前后的電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道圖如圖7所示.

3.2 數(shù)值模擬分析

（1）改進(jìn)后的電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道總壓圖如圖8所示，改進(jìn)后的電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道主要點(diǎn)壓力分析表如表2所示.f1點(diǎn)的總壓力為-250pa，而f點(diǎn)的總壓力為-2870pa，因此優(yōu)化后電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道在f1點(diǎn)的壓力損失相對(duì)未優(yōu)化前的c點(diǎn)的壓力損失減小了90%；c1點(diǎn)的總壓力為550pa，而c點(diǎn)的總壓力為500pa，壓力損失的現(xiàn)象得到明顯的改善；改進(jìn)后的內(nèi)流道的總壓力分布地很均勻；進(jìn)口處和出口處點(diǎn)的壓力差為450pa，相對(duì)于未優(yōu)化前的進(jìn)出口的壓力差減小幅度很大.

圖7 改進(jìn)前后的電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道模型

圖8 改進(jìn)后的電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道總壓圖

表2 改進(jìn)后的電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道主要點(diǎn)壓力分析表

（2）改進(jìn)后的電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道速度矢量圖如圖9所示，a1點(diǎn)沒(méi)有速度的突變，b1點(diǎn)處沒(méi)有局部的渦流，c1、d1處的最大速度都未超過(guò)3.5m/s.

（3）改進(jìn)后的電動(dòng)截止閥的湍流強(qiáng)度圖如圖10所示，最大的湍動(dòng)能值從93.1m2/s2降到了81.6 m2/s2，最大湍動(dòng)能強(qiáng)度降低15%.優(yōu)化改進(jìn)后的閥的高湍動(dòng)能分布區(qū)域明顯變小，這說(shuō)明了流動(dòng)相對(duì)于原閥更加通暢，整體改進(jìn)效果良好，極大地降低其湍動(dòng)能脈動(dòng)值.

圖9 改進(jìn)后電動(dòng)截止閥內(nèi)流道速度矢量圖

4 結(jié)論

（1）通過(guò)優(yōu)化前后的電動(dòng)截止閥的內(nèi)流道的總壓力、速度、湍動(dòng)能強(qiáng)度的比較，說(shuō)明該改進(jìn)是可行的.

（2）這種方法進(jìn)出口的壓力損失將近30%，使原來(lái)的局部渦流現(xiàn)象消失，減少了速度的突變的區(qū)域，最大速度也從原來(lái)的4.26m/s降到3.4m/s，湍動(dòng)能強(qiáng)度也降低了15%左右.

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[3]張弓.超高速電液比例閥的研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

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NUMERICAL SIMULATION OF THE INTERAL FLOW CHANNEL OF THE ELECTRIC CHECK VALVE BASED ON THE CFD AND IMPROVEMENT DESIGNING

ZHOU Ming-jian1TANG Ling-feng1WANG Yu-qin2
（1 School of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu Anhui 241000）
（2 Department of Physics and Electronics of Chaohu University，Chaohu Anhui 238000）

Electric check valve is an important component of the liquid transportation.Due to the traditional design of the valve rarely design the interal flow channel,standing in the point of the fluid flow,the flow resistance coefficient is bigger,easy to cause the certain local pressure loss.The flow direction of the fluid is changing when it passed through the mouth of the valve,and there would be the flow phenomenon,which make the valve strong destructive and reduce the service life of the valve,such as local eddy current,cavitation,water hammer and dead zones,Turbulent pulse noise,etc.The interal flow channel of the Electric check valve that is in the state of the all open is numerically simulated with CFD approach based on Reynolds-averaged N-S equations(RANS equations)and RNG k-ε model,and the total pressure figure,velocity vector diagram,turbulence intensity map are obtained.Through numerical simulation,the flow process of the fluid in the valve can be directly displayed.It can reduce the pressure loss of the import and export around 30%,narrow the area of the mutational speed,make the phenomenon that the local eddy current disappeared,and lessen the intensity of turbulence around 15%,by improvement designing,such as change the length and curvature of the import and export part of flow channel, and alter the layout of stem of valve,etc.

Electric check valve；interal flow channel；numerical simulation；improvement designing；CFD

TB24

A

1672－2868（2011）06－0075－05

2011-10-21

周明?。?987-），男，安徽人，碩士在讀，研究方向：流體機(jī)械設(shè)計(jì)與控制

責(zé)任編輯：宏 彬