基于CFD技術的電動截止閥流場特性研究*

朱鳳霞

(武漢華夏理工學院 智能制造學院，湖北 武漢 430223)

0 引言

截止閥用途廣泛，在系統(tǒng)中通過調(diào)節(jié)閥芯開啟高度控制管路系統(tǒng)出口處流體的壓力與流量。截止閥工作狀況要求頻繁啟閉閥芯，加之其材料與工藝等方面的設計缺陷，容易導致泄漏、能耗增加、振動和設備侵蝕等不良后果。隨著工業(yè)科技的高速發(fā)展，為適應高性能的輸送系統(tǒng)，探索截止閥設計新思路、新方法，研發(fā)新結構、新性能的截止閥勢在必行。

截止閥復雜的內(nèi)部流道形狀導致流體流動狀況也十分復雜，工作過程中，流道內(nèi)可能會產(chǎn)生渦流、回流等現(xiàn)象，將嚴重影響截止閥的工作性能，對系統(tǒng)危害很大，甚至可能會損壞設備。本文采用計算流體動力學(Computational Fluid Dynamicss，簡稱CFD)技術，對帶節(jié)流口的電動截止閥全流道進行流場數(shù)值計算，詳細模擬截止閥流道內(nèi)閥瓣開啟不同狀態(tài)下的流場特點，得出流道內(nèi)壓力分布云圖、速度分布云圖、速度矢量圖及全流場流線圖，為分析截止閥的實際工作狀況、閥芯結構改進及閥道結構優(yōu)化提供依據(jù)。

1 建立物理模型

1.1 截止閥結構

圖1為電動截止閥的結構，它主要由閥體、閥瓣、支持套、閥桿、填料室等組成。其中，閥瓣外側裝有支持套，支持套上圓周分布著等直徑節(jié)流小孔，閥瓣開啟后，流體由入口段管道流入，流向支持套四周空間的排放槽，再通過支持套節(jié)流小孔流入閥瓣下方，經(jīng)閥座孔到達出口段，形成了特殊形狀的流道，此流道有節(jié)流和降壓的效果，對閥芯起保護作用。此截止閥流體從高處流向低處，即由閥瓣四周和下方流向閥座孔，因其帶有節(jié)流平衡口，保證了啟/閉全壓差條件下穩(wěn)定操作，開啟輕便靈活、啟閉扭矩小。

1.2 計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

電動截止閥閥瓣全開啟狀態(tài)下的內(nèi)流道模型如圖2所示。流道模型最大單元尺寸設置為2 mm，比例因子為1.0。利用Fluent軟件中的網(wǎng)格劃分模塊ICEM求解流道進行網(wǎng)格劃分，由于其內(nèi)流道結構不規(guī)則，因此采用混合網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元采用Tetra/Mixed(非結構化網(wǎng)格，主要由四面體組成，個別位置可以有六面體、三棱柱邊界層網(wǎng)格)，流道模型劃分為120 180個節(jié)點、610 321個單元。由于閥瓣和支持套部分的流動更為復雜，速度與壓強較大，因此對閥瓣、支持套進行局部網(wǎng)格細化。電動截止閥內(nèi)流道有限元模型如圖3所示。

圖1 截止閥結構 圖2 截止閥內(nèi)流道模型 圖3 截止閥內(nèi)流道有限元模型

2 模擬分析

2.1 材料性質(zhì)

在建立截止閥流道物理模型過程中關鍵的任務是正確設定其物性參數(shù)。根據(jù)實際工況，在Fluent軟件中工作介質(zhì)材料定義為默認Air，Density中選擇ideal-gas(理想氣體)，參數(shù)選擇默認值。

2.2 邊界條件

邊界條件是流場變量在計算邊界上應滿足的數(shù)學物理條件，邊界條件設定的正確與否將直接影響分析計算的最終結果。施加邊界條件如下：

(1) 進口處：采用速度入口，速度大小為10 m/s，方向垂直入口截面。

(2) 出口處：采用壓力出口，壓力大小為10 MPa。

(3) 壁面：計算模型為閥瓣開啟到最大高度時的流道模型，對截止閥流道中所有的壁面設置為固壁邊界條件，近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)。

2.3 模擬計算

對截止閥流道網(wǎng)格圖設置合理的邊界條件后，導出.msh網(wǎng)格文件到Fluent軟件中進行計算，迭代步數(shù)設置為200，計算迭代收斂后對計算結果進行后處理。

3 計算結果分析

由于截止閥結構對稱，為了簡化分析難度，通過選擇閥對稱面來研究流道內(nèi)部流體的實際流動狀況。閥瓣開啟到80%和100%時對流道進行動態(tài)數(shù)值模擬計算，得到截止閥流道對稱面的壓力云圖、速度云圖和流速矢量圖，如圖4所示。

圖4 仿真結果

從圖4(a)、圖4(b)可以看出：流道對稱面上進出口壓力分布較為均勻，閥體流道入口段壓力高，流體流經(jīng)支持套節(jié)流口時過流面積突然減小，壓力隨之下降，在閥體流道出口段上端出現(xiàn)了負壓，此負壓可能會導致空化現(xiàn)象的發(fā)生，但位置離閥芯較遠，可以避免閥芯被腐蝕，進而影響截止閥的啟閉特性。

從圖4(c)、圖4(d)可以看出：流體在閥體出口段頂部和閥座孔右下方有滯流現(xiàn)象，流動緩慢，接近靜止狀態(tài)，流速大小為0 m/s～1 m/s；流體經(jīng)過支持套節(jié)流孔時由于通流面積突然變小，此時流速最大，最大流速約為36 m/s(閥瓣開啟80%)、28 m/s(閥瓣開啟100%)，流體流經(jīng)閥座孔后速度變小，約為23 m/s(閥瓣開啟80%)、20 m/s(閥瓣開啟100%)，流道壁面處的速度幾乎為零。

從圖4(e)、圖4(f)中可以看出：流道入口段處流速穩(wěn)定，流體先通過閥芯四周的排放槽，然后由支持套圓周上的節(jié)流小孔沿軸向流入閥瓣下方，即流體流經(jīng)閥芯時先經(jīng)過節(jié)流小孔的作用后，改變了流體的流態(tài)，產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，緩解了流體對閥瓣的直接沖刷，對閥瓣進行了有效的保護；流體從閥座孔流向出口時比較流暢，在閥座右下方和出口段上方流體速度較低，且有回流、渦流現(xiàn)象。

4 結論

實際工程應用中，截止閥閥芯容易發(fā)生破壞，其主要原因就是閥芯在啟閉過程中受到流體的高壓和高速沖擊而引起的。本文對帶有節(jié)流孔電動截止閥進行模擬分析，其支持套節(jié)流小孔和閥座部位是過流面面積突變處，流體的流動特性非常復雜，局部產(chǎn)生渦流，減小了流體對閥瓣的沖擊。在流道接近出口段，由于過流面積突然增大，出現(xiàn)了不同程度的低壓區(qū)域和渦流區(qū)域，這些區(qū)域位置接近出口處，遠離閥芯，對閥芯結構進行了有效保護，有利于提高截止閥的整體使用壽命。