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      基于ANSYS Workbench的直通式截止閥流道的分析

      2019-01-07 02:40:48樊學(xué)良陳廷兵
      現(xiàn)代機(jī)械 2018年6期
      關(guān)鍵詞:閥瓣流道截止閥

      陳 鵬,張 寒,羅 雙,樊學(xué)良,陳廷兵

      (1.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,四川成都610106; 2.成都創(chuàng)奇汽車制造有限公司,四川成都611830;3.成都工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,四川成都610031)

      0 引言

      直通式截止閥在生活和工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)得到了廣泛的運用,其應(yīng)用在流體的控制中耐磨性與密封性較好,開閉容易,易操作,產(chǎn)品的生產(chǎn)難度不高,方便維護(hù),在中低壓與高壓管道中都可以使用。直通式截止閥工作原理:利用閥桿壓力,讓閥瓣密封面與閥座密封面緊密結(jié)合,阻止流體介質(zhì)在閥道之中流通,同時也可以用來調(diào)節(jié)流體流量的大小。由于截止閥內(nèi)流道液體會對截止閥殼體造成沖擊與腐蝕,所以通過對截止閥內(nèi)部的復(fù)雜流道流場進(jìn)行數(shù)值模擬,分析閥門內(nèi)部流場壓力的特性變化,從中得出流體介質(zhì)會對閥體具體哪一部分造成損傷。

      1 研究內(nèi)容

      截止閥內(nèi)部的流場數(shù)值研究分析已成為該領(lǐng)域研究的熱點,以我們所建立的截止閥模型為研究對象,選取截止閥在常溫,低壓(PN16),公稱壓力DN為50的條件下進(jìn)行截止閥內(nèi)部流場的數(shù)值分析。首先要對手動直通式截止閥進(jìn)行結(jié)構(gòu)上設(shè)計,利用Solidworks進(jìn)行三維建模,然后將其中的流道模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行我們所需要的分析計算。運用其中的Fluent、CFD模塊來模擬通過閥道的介質(zhì)在閥道中所產(chǎn)生的漩渦、水錘等介質(zhì)狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的分析,為介質(zhì)對閥道的沖擊預(yù)測和防范及流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一些理論基礎(chǔ)。

      2 直通式截止閥的模型建立

      圖1 閥體結(jié)構(gòu)圖

      為了更直觀地了解直流式截止閥的結(jié)構(gòu)形式與運動狀態(tài),為接下來的流場分析提供模型,首先對于我們所設(shè)計直流式截止閥進(jìn)行三維建模,構(gòu)成一個完整的閥體結(jié)構(gòu)。所建立的直通式截止閥模型如圖1。

      對直通式截止閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模之后,通過剖面圖可以直觀清晰的了解到截止閥體腔內(nèi)流道的結(jié)構(gòu)?,F(xiàn)參考裝配體剖面圖,單獨對截止閥體腔內(nèi)流道進(jìn)行三維建模,針對閥瓣的不同開度。分別建立如圖2:直通式截止閥閥瓣的閥開度分別為公稱直徑0%(1 mm)、15%、30%、45%時的四種流道狀態(tài)外部結(jié)構(gòu)相同的三維模型。

      圖2 流道外觀圖

      3 直流式截止閥流體場分析

      3.1 直流式截止閥網(wǎng)格劃分

      圖3 直流式截止閥生成的網(wǎng)格

      在ANSYS軟件中用來分析流體運動的是Fluent模塊,對直通式截止閥的結(jié)構(gòu)分析不是運用其幾何模型,而是需要對其幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。首先根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸利用SolidWorks三維軟件繪制出該結(jié)構(gòu)的三維模型。然后由幾何模型的外觀形狀來看,在該分析中的網(wǎng)格劃分應(yīng)采用Gambit模塊網(wǎng)格的劃分方式,因為Gambit模塊網(wǎng)格常用在圓或圓弧模型,同時Gambit模塊根據(jù)自己的運算可生成復(fù)雜流道[1]。在網(wǎng)格劃分時,因閥體底部區(qū)域受力較大則需要對底部局部地方進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,故在該區(qū)域的網(wǎng)格劃分相對要密集一些,劃分后的內(nèi)部流場如圖3。

      3.2 確定流體邊界條件

      分析結(jié)果是否準(zhǔn)確取決于流體邊界條件的設(shè)置。該流體的仿真運用的是Fluent模塊,由于仿真時設(shè)置的流體狀態(tài)是在理想狀態(tài)下。在該閥體中流過的介質(zhì)選用水,其密度為1000 kg/m3,動力黏度設(shè)置為0.001055 kg/ms,公稱壓力為1.6 MPa,流體進(jìn)入的閥體是湍流狀態(tài),則需要運用k-e模型。入口的速度條件設(shè)置為1.5 m/s,出口為自由出口,壁面條件為靜止壁面[2-3]。

      3.3 Fluent計算設(shè)置

      首先進(jìn)入Fluent的計算編輯模塊,選擇計算單位,然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,再一個就是設(shè)置求解器,在求解器設(shè)置中需要選擇Pressure-Based(基于壓力法求解器),使用壓力修正算法,擅長求解不可壓縮流動;在Velocity Formulation中選擇Absolute(絕對速度);在Time中選擇Steady(穩(wěn)態(tài))。截止閥中的介質(zhì)在里面流動時,由于閥體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,將會使速度在閥體中有較多的變化,形成湍流。因此,本文選用湍流模型對流體場進(jìn)行分析。而選用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型因為其是湍流模型中應(yīng)用最廣的模型,其具有較高的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性和精度[4]。計算結(jié)果如圖4。

      圖4 計算結(jié)果的殘差曲線

      4 Fluent 流場分析結(jié)果比較

      閥體在不同開度情況下所受力不同,且不同的開度在一定條件下也控制著閥體流量的大小,所以要對直通式截止閥的流道進(jìn)行有限元分析,研究閥體流道的具體受力情況,可以從截止閥的壓力圖和流線圖的對比中看出趨勢和規(guī)律。

      圖5 壓力圖對比

      圖6 流線圖對比

      通過對流道的有限元分析可以看出:在閥瓣開啟時,流道所受壓力最大,隨著開度逐漸增加,閥道流速逐漸增加,流道所受力逐漸減小,在開度達(dá)到15%~30%時,流速達(dá)到最大,再繼續(xù)增加開度,對流速的影響可以忽略不計,但通過比較4種狀態(tài)可以看出,閥瓣開度越大,閥瓣上壓力的結(jié)集范圍越小。在流線圖中也可以清晰看出流體在閥體底部形成渦流,流體在流道中的運動路線也可以找到。這為流道的受力分析,流體沖擊的預(yù)測和防范及流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一些基本的理論基礎(chǔ)。

      5 結(jié)論

      對閥體的流道進(jìn)行了簡單的有限元分析,從結(jié)構(gòu)分析中可以看出閥體的進(jìn)出位于同一水平線上,但是流體介質(zhì)在通過閥座時會與該水平線呈現(xiàn)出一定的夾角,這樣會改變介質(zhì)在閥體中的平穩(wěn)狀態(tài)。通過Fluent軟件的分析可以得出在不同開度的情況下介質(zhì)對閥體的壓力,隨著開度的增加對閥道的壓力減小,從而減少了對閥瓣壓力的沖擊,同時通過分析可以得出壓力在閥壁應(yīng)力集中的位置。該結(jié)果可為閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)的支持。

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