徐志新,張靜,張懿驊,師曉東
(江蘇神通閥門股份有限公司江蘇省核電閥門重點實驗室,江蘇 啟東226232)
蝶閥因其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,在管線中得到廣泛應用,主要發(fā)揮截斷和流量調(diào)節(jié)作用。
流量系數(shù)是衡量蝶閥性能優(yōu)劣的重要參數(shù)[1]。隨著科技的發(fā)展,數(shù)值模擬的優(yōu)勢日益明顯。與試驗方法相比,數(shù)值模擬在計算蝶閥流量系數(shù)的同時還能在計算機上獲得蝶閥的內(nèi)部流場情況[2],可以更加便捷地對蝶閥結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計[3]。
針對蝶閥結(jié)構(gòu)及其內(nèi)部流場的理論研究目前已有諸多報道,但大部分局限于不同蝶板結(jié)構(gòu)對流量影響分析及不同開度下流量特性的分析[4-7]。本研究主要利用流體分析軟件FLUENT對不同結(jié)構(gòu)的單偏心蝶閥的內(nèi)部流場,以及影響流量系數(shù)的因素進行分析,得到流量系數(shù)最優(yōu)的單偏心蝶閥結(jié)構(gòu),從而滿足流量系數(shù)大于15 000的設(shè)計要求。
流量系數(shù)的計算公式如下[8]:
式中:Q為入口水流量,m3/h;ρ為水的密度,kg/m3;ρ0為15 ℃時水的密度(ρ/ρ0=1);ΔPV為被試驗閥門凈壓差,kPa,ΔPV=ΔP1-ΔP2;ΔP1為被試驗閥門及試驗管道總壓差,kPa;ΔP2為被試驗閥門試驗管道的壓差(不含閥門),kPa。
以DN400單偏心蝶閥為分析對象,通過SolidWorks軟件建立閥門的模型,在ANSYS Geometry中對閥門內(nèi)部進行流體填充,為保證流暢達到穩(wěn)定狀體,在閥門前后端分別加上5倍和10倍閥門公稱直徑長度的管道。
在ANSYS Workbench軟件Mesh模塊中對流體域模型進行初步的網(wǎng)格劃分,以六面體網(wǎng)格劃分進出水管道部分,以四面體網(wǎng)格劃分閥體內(nèi)腔部分,并對蝶板外圓面及閥座內(nèi)圓面進行網(wǎng)格局部加密處理。
分析介質(zhì)為水,狀態(tài)為紊流,計算模型選擇通用的Standard K-epsilon;求解方法采用求解壓力耦合方程的半隱式SIMPLE 算法,選擇基于單元的格林-高斯法,求解精度均設(shè)為二階迎風精度;本次計算的進口處邊界條件為速度進口,取進口速度v=5 m/s,出口處為壓力出口。
原始方案為常用的單偏心蝶閥結(jié)構(gòu),圖1為二維示意圖,與流體接觸的零部件主要包括:閥體、閥座、蝶板、密封圈、壓板、閥軸。閥門全開時流體域模型如圖2所示。
在FLUENT中迭代800步,待完全收斂后得到閥門和管道系統(tǒng)總壓差ΔP1為8.11 kPa,管道系統(tǒng)壓差ΔP2為2.35 kPa,計算得CV=10 998.7<15 000。故單偏心蝶閥原始方案不能滿足設(shè)計要求。
圖1 原始方案二維圖
圖2 原始方案流體域及網(wǎng)格劃分模型
圖3 原始方案90°開度下流動特性圖
圖3中的流體流動方向均從左向右,從圖3(a)速度梯度分布圖可以看出,單偏心蝶閥全開時由于固定閥軸的蝶板凸臺的存在,凸臺右側(cè)、閥座右側(cè)、壓板下方均出現(xiàn)旋渦,說明這些區(qū)域?qū)α黧w形成了較大的阻隔作用。從圖3(b)可以看出,以上阻隔流體區(qū)域均形成了負壓。后續(xù)可以對單偏心蝶板的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,以減小流阻系數(shù)。
針對原始方案的不足,需要優(yōu)化蝶板結(jié)構(gòu)從而減弱對流體的阻隔作用。閥軸直徑已定,固定閥軸的凸臺截面改變可能性較小,但可以減小凸臺長度和減弱閥軸對流體的阻隔作用。優(yōu)化方案一的二維圖如圖4所示。將蝶板凸臺的長度由原來的90 mm減小為65 mm,單根閥軸變?yōu)樯舷麻y軸,但為了保障蝶板的強度,在蝶板流體方向增加20 mm厚的橫向梯形筋板。
圖4 優(yōu)化方案1二維圖
若不計算管道的流體域,原始方案的閥門流體域體積V1為4.529×107mm3,而優(yōu)化方案一的閥門流體域體積V2為4.549×107mm3,增加了0.02×107mm3。
對優(yōu)化方案一進行數(shù)值模擬分析,得到閥門和管道系統(tǒng)總壓差ΔP1為6.11 kPa,管道系統(tǒng)壓差ΔP2為2.35 kPa,計算得CV=13 613.1<15 000。CV值較原始方案提高了23.7%,但不滿足設(shè)計要求。
為了進一步增加流體域,需要繼續(xù)減小蝶板、閥座、壓板對流體的阻隔作用。優(yōu)化方案一中蝶板凸臺長度及蝶板厚度很難繼續(xù)減小,而該結(jié)構(gòu)中壓板、閥座需要打螺栓孔固定也沒有優(yōu)化的空間。所以保留優(yōu)化方案一中蝶板凸臺、筋板、上下閥軸的設(shè)計,然后將壓板去除,蝶板和壓板的總厚度由原來的41 mm減為31 mm。密封圈移動到閥體和閥座之間,閥座內(nèi)徑由370 mm增大為380 mm,如圖5所示。不僅減小了蝶板和壓板在厚度方向?qū)α黧w的阻隔作用,同時也減小了閥座對流體的阻隔作用。優(yōu)化方案二閥門流體域體積V3為4.697×107mm3,比優(yōu)化方案一增加了0.148×107mm3。
對優(yōu)化方案二進行數(shù)值模擬分析,得到閥門和管道系統(tǒng)總壓差ΔP1為5.10 kPa,管道系統(tǒng)壓差ΔP2為2.35 kPa,計 算 得CV=15917.9>15000,CV值較優(yōu)化方案一提高了16.9%,且滿足設(shè)計要求。
從圖6 速度分布云圖可以看出,蝶板下端去除壓板后,旋渦也消失了,閥座右側(cè)的流速比原始方案有所減小,最高流速也比原始方案有所減小。以上分析表明,優(yōu)化方案二的結(jié)構(gòu)符合預期的優(yōu)化方向。
圖5 優(yōu)化方案2 二維圖
圖6 優(yōu)化方案二速度云圖
從表1中3種方案的對比可以看出,從原始方案到優(yōu)化方案一和優(yōu)化方案二,流體域體積不斷增加,求得閥門總壓差ΔP1逐漸變小,CV值不斷增大直至滿足設(shè)計要求。該數(shù)據(jù)對比也驗證了2.1小節(jié)的分析。為了盡量減小閥門內(nèi)部零部件對流體的阻隔作用,除了對蝶板結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化外,也可以更換影響流量特性的零部件(如閥座、壓板),以此滿足設(shè)計要求。
表1 三種方案分析結(jié)果對比
1)利用FLUENT對3種單偏心蝶閥結(jié)構(gòu)進行模擬計算,得到蝶閥全開時整體壓差、管道壓差、流場分布情況;
2)原始方案流量分析表明,全開時蝶板凸臺、壓板、閥座位置都會產(chǎn)生旋渦,降低流通能力,可以對這些零部件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,減小壓差,增大流量系數(shù);
3)對原始方案中的蝶板和閥軸進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化得到優(yōu)化方案一,其模擬結(jié)果雖然不能滿足設(shè)計要求,但流量系數(shù)較原始方案提升了23.7%,表面優(yōu)化方向是正確的;
4)優(yōu)化方案二中去除壓板,對閥座、密封圈結(jié)構(gòu)進行較大的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,流量系數(shù)較優(yōu)化方案一提升了16.9%,最終滿足設(shè)計要求。