基于CFD技术的截止阀阻力特性分析.pdf

2 0 1 3 年 1 月 第4 1 卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAUL I CS J a n ． 2 01 3 V0 1 ． 41 No ． 1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 1 ． 0 4 3 基于 C F D技术的截止阀阻力特性分析 巴鹏 ，闰小楼 ，欧周华 ，张鹏飞 1 。沈 阳理工大学机械 工程学院，辽宁沈阳 1 1 0 1 5 9； 2 ．沈阳远 大压缩机制造有限公 司，辽宁沈阳 1 1 0 1 2 7 摘要研究截止阀启闭过程中的阻力特性，建立阀门的相对开度与压力损失之间的数学模型，并借助计算流体动力学 软件 fl u e n t ，应用动网格技术对阀门的内部流场进行动态数值模拟。结果表明理论值与模拟值之间的相对误差满足精度要 求，证明此数学模型在工程实用中的可行性，同时为截止阀及其他阀门的结构设计及优化提供理论参考。 关键词截止阀；相对开度 ；计算流体动力学；压力损失；数值模拟 中图分类号 T H1 1 7 ． 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 1 5 3 4 Ana l y s i s o n Re s i s t an c e Cha r a c t e r i s t i c o f Gl o be Va l v e Ba s e d o n CFD Te c hn o l o g y B A P e n g ，Y AN Xi a o l o u ，OU Z h o u h u a ．Z HANG P e n g f e i 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h e n y a n g ， S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 5 9 ，C h i n a ； 2 ． S h e n y a n g Y u a n d a C o m p r e s s o r Ma n u f a c t u r i n g C h i n a ， S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 2 7 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e g l o b e v a l v e i n t h e p r o c e s s o f o p e n i n g a n d c l o s i n g wa s s t u d i e d ．A ma t h e ma t i c a l mo d - e l b e t w e e n t h e r e l a t i v e o p e n i n g d e g r e e o f the g l o b e v a l v e a n d t h e p r e s s u r e l o s s wa s c o n s t r u c t e d ．T h e d y n a mi c d t e c h n o l o g y o f F L U E NT wa s u s e d t o s i mu l a t e th e i n t e r n al flo w fi e l d o f t h e v alv e ．Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e r e l a t i v e e r r l0 r b e t we e n t h e o ret i c al c alc u l a t i o n a n d n u me r i c al s i mu l a t i o n s a ti s fi e s the a c c u r a c y r e q u i r e me n t ，a n d the f e a s i b i l i t y o f the ma t h e ma t i c al mo d e l i n t h e e n g i n e e rin g p r a c t i c e i s p r o v e d ．I t p r o v i d e s the o r e t i c al r e f e r e n c e s f o r the s t ruc t ure d e s i g n a n d o p ti mi z a t i o n o f gl o b e v al v e o r o the r v al v e s ． Ke y wo r d s G l o b e v alv e；Re l a t i v e o p e n i n g d e gre e；C o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s ；P r e s s u r e l o s s ；N u me ri c al s i mu l a t i o n 阀门作为管路系统中的一个重要部件 ，同时也 是产生能量损耗的主要元件 ，在设计过程中不应只 注重阀门的结构型态而忽视其流态特性 。当流体通 过阀道时产生诸如旋涡、水锤、死水区、二次流等 水流现象 ，这些现象是影 响阀道局部压力损失的主 要 因素⋯ 。通过 分 析 阀 门通 径 、流 量 系 数 、流 速 、 阻力系数等参数之间的关系，对截止阀流道的流场 特点和阻力特性进行研究，得 出其相对开度与压力 损失 之间 的函数关 系 ，能 够更 好 地 了解 截止 阀的能 耗情况 ，同时为阀门的结构设计与优化提供有效的 理论 依据 。 F L U E N T的软件设计基 于 C F D软件群 的思想 ， 针对各种复杂流动的物理现象 ，采用不 同的离散格 式和数值方法，在特定领域 内使计算速度 、稳定性 和精度等方面达到最佳组合 ，从而高效率地解决 各个领域复杂流动问题的计算。基于计算流体力学 理论 ，利用该软件对流体流经不同开度截止 阀时的 流场进 行模 拟 ，克 服 了阀 门 的几何 特 征较 复 杂 、很 难掌握其内部流态等特点 ，使研究结果可视、直观 化 。 1 结构模型 1 ． 1 物 理模 型 图 1为 J 4 1 H型截止 阀 ，该 阀的启闭件是塞形的阀瓣 ，密 封 面呈 平 面或 锥 面 ，阀瓣 沿 阀 座 的 中心线 作 直 线运 动 。 阀体 的公称通径 为 D N 3 2 ，采用不锈 钢材料制成。根据其结构尺寸 参数 ，同时考虑到实 际数值模 拟的可行性 ，对模 型进行合理 的简化，绘制出用于 C F D分析 的二维模 型 ，如图 2 所示 。 图 1 J 4 1 H型截止阀 l 一 油液 进 口 2 m 流体 区域 3 一 阀瓣 4 一壁 面 5 一 油液 出 口 图 2 截止阀模 型 针对 X Y Z 一 1 0 0 、X Y Z 一 1 2 5稀油站系统，使用 N 1 5 0 收稿 日期 2 0 1 1 1 21 4 作者简介巴鹏 1 9 6 3 一 ，男，硕士，教授，硕士研究生导师，主要从事往复式压缩机动力系统研究和结构设计、设备润 滑系统分析研究和新型油水分离设备的研制等。Em a i l b p b p p p p 1 6 3 ． e o m。 1 5 4 机床与液压 第 4 1卷 机械油作为流体介质 ，根据标准 G B 4 4 3 8 9查得 N 1 5 0机械 油 密度 为 P 9 0 0 k g ／ m ；运 动 黏度 为 1 ． 51 0一 I n 。 ／s 1 ． 2 数学模型 1 ． 2 ． 1 开度与流量系数 在液压油为不可压缩 液体 时可将直通式截止 阀的 流量特性 表示为 d盟 h 1 1 d 式中q 为 截止 阀行 程 为 时的标 准状 态流 量 m ／ h ； q v , m 为截 止 阀 行程 为 时 的标 准 状 态 流 量 I n ／ h ； 为截止 阀某一开度 时的行程 m m ； ⋯为截止阀全开时的行程 m m ； h为 比例 系数 。 对式 1 进行积分 ，得 h Ⅳ 2 qv ． m “ m 式中Ⅳ为积分常量。 令L 3 m ax 式 中 为相对开度 。 此时可认为截止阀在相对开度为 时的流量与截 止阀行程为 时的流量相等，即 q v L g v ． 4 式 中9 ． 为截止 阀相对 开度为 时 的标准状态流量 ， Ⅱ l 3 ／ h 。 则式 2 可表示为 盟h LN 5 gv 边界条件为 0时 ，L 0 ，g v ．L口v i ； 时 ，L 1 ，g v ．L qv , 。 把边界条件代人式 5 ，得 Ⅳ qv x 系数 计算式 9 c _ q v √ 9 式 中C为流量系数 ； q 为体积流量 ； P为流体密度 ； 卸 为阀门的压力损失 。 反推之 ，得 g vI _ c ⋯ √ 10 _ c √ 1 1 c √ 12 把式 1 0 一 1 2 代人式 8 ，得 [ 1 _ 杀 令 。 C 一C ⋯ 1 4 C 1 5 则式 1 3 可 以改写为 C ￡ k o L 1 6 1 ． 2 ． 2 流量系数与流阻系数 流量系数 C 与流阻系数 之间的关系可以表示 为 c 式 中 C 为流量系数 I I 1 ／ s ； 为阀 门的流阻系数 ； D为 阀门通径 m 。 且 C v 1 ／ 3 6 0 0 C L 1 8 式中C 为流量系数 m ／ h 。 1 ． 2 ． 3 流阻系数 与压力损失 流体通过 阀门时 ，其流体阻力损失以阀门前后 的 流体压力降 △ p表示。对于紊流流态的液体 △ p 1 9 式中 △ p为流经 阀门的压力损失 P a ； ㈩ 笔 m h1一 f 71 qv⋯ 把式 6 、 7 代人式 5 ，得 盟 f 1 一 8 q v ， m a x ＼ gv ． m “， qv ， m a x 在不可 压缩 流动 的情况 下 ，用 C 、C C ⋯分 别表示最小相对开度下 的流量系数 、相对开度为 下 的流量系数 、最大相对开度下的流量系数，根据流量 为流体在管道 内的平均流速 m ／ s 。 1 ． 2 ． 4 相对开度与流阻系数 结合式 1 6 一 1 9 ，得 出截 止 阀相对 开度 ￡与 流经截止阀的压力损失 却 之间的数学模型 △ p 0 6 1 8 6 2 0 式 中△ p为流经 阀门的压力损失 P a ； P为流体的密度 k g ／ m ； 1 5 6 机床与液压 第 4 l 卷 从模拟结果可知 造成压力损失 的主要 原因是阀 道内部产生旋涡、形成紊流的分离 回流区；其次是阀 道出 口的主流集中在管的上壁 ，该处流速分布不均匀 、 流速梯度大 。当 阀门开度小 于 2 0 ％ 时流场 比较 复杂 ， 压力 、速度梯度较小 ，能量损失也较 小。阀门在启闭 过程中受力会 发生较大变化 ，导致 冲击与振动 ，易引 起阀体的变形与疲劳破坏，设计人员应当给予重视。 将模拟计算 得到的压力损失与利用理论公式计算 能量损失较大；当开度大于 8 0 ％时，流态比较稳定， 得到的压力损失进行对比，见表 1 。 表 1 截止阀开度、过流速度及压力损失关系表 可以看 出根据公式 2 0 求出的理论压力损 失值 与试验模 拟值 已很接 近 ，且最大相对误差不超过 6 ％。同时得到 截止 阀 开度 与 阻 力 系 数 之 间 的关系曲线 ，见图 6 ， 可 以 看 出随着 开 度 的 不 断 增 大 ，截 止 阀 的阻力系数不断减小， 当开 度 较 小 时 ，截 止 阀的阻力 系数非 常大 ， 流体 流 过 时 将 产 生 很 大的压力损失。 图 6 截止阀开度 与阻 力 系数 的关 系 经分析 ，产生误差 的原 因如下 1 由于截止阀实际结构复杂，文中在进行物 理建模时将截止阀结构简单化 ，因此数值模拟结果与 理论计算结果之间存 在一定 的误差 。 2 理论数学模型中的 、 值不能准确确定， 只能靠手册查取 ；流体 的黏度 、温度 、压力等参数在 相对开度变化时也会发生变化 。 3 该理论计算公式的推导排除了一切外在影 响，包括流体间的相互扰动，以及流场间压差的相互 干扰等；而计算机数值模拟是通过有限元计算模拟了 流体的真实流动，接近于实际运动情况。 基于上述原因，误差的存在是难以避免的。由于 误差在 6 ％ 以内 ，故认为所提 出的理 论计算方 法所得 结果与模拟实验结果基本吻合，表明所建数学模型准 确可行 。 4结论 1 根据 截止 阀的 流量特 性 ，运 用数 学方 法推 导 出相对开度 、流速 、公称通径 、压力损失之 问的数 学模 型 ，避开 了通过研究截止 阀内部复杂结构来分析 阀门相对开度、流速、压力损失之间的关系，从侧面 将复杂问题解决。 2 采 用 C F D技术对截 止 阀二维模 型 内部 流场 特性作数值模拟 ，得到各 种参数 的分布 云 图和数据 ， 同时运用动 网格技术更 真实 、连续地模拟 出阀瓣启 闭 过程 中的液流流动情况 ，解决 了稳态分析不能求解 的 问题 ，在节约实验成本 的同时还得 到了更 为有效直观 的实验结果 。 3 通过将数值模拟试验得到的结果与理论计 算结果进行对比分析 ，结合实际工程应用中的经验 ， 证 明此数学模型对截止阀的结构设计及优化 具有一 定 的参考意义 。 参考文献 【 1 】 袁新明， 贺治国， 毛根海． 用 R N G k - 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