楊化飆，張繼革，施寶新，王德忠

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240； 2. 上海自動(dòng)化儀表七廠，上海 202150)

穩(wěn)壓器噴霧閥閥芯倒角尺寸對(duì)流動(dòng)的影響

楊化飆1，張繼革1，施寶新2，王德忠1

(1. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240； 2. 上海自動(dòng)化儀表七廠，上海 202150)

V型旋轉(zhuǎn)式閥芯具有流阻小，切斷性能好，調(diào)節(jié)精度較高的特點(diǎn)。為了減小閥芯旋轉(zhuǎn)時(shí)流體在閥芯和閥座棱邊上剪切力以及閥門(mén)形阻系數(shù)，通常在閥芯的棱邊上加工倒角來(lái)達(dá)到此目的，研究穩(wěn)壓器噴霧閥V型閥芯棱邊不同倒角尺寸時(shí)，閥內(nèi)流體流動(dòng)時(shí)在閥芯與閥座上的產(chǎn)生的剪切力大小，以及閥芯棱邊取不同倒角尺寸時(shí)對(duì)流動(dòng)的各參數(shù)的影響。采用CFD軟件fluent,基于RANS方程，采用有限體積法進(jìn)行空間離散，使用K-ε湍流模型和SIMPLE算法，針對(duì)閥芯不同的倒角尺寸，計(jì)算穩(wěn)壓器噴霧閥V型閥芯在關(guān)閉時(shí)閥門(mén)的體積流量，湍流參數(shù)，壁面剪切力，形阻系數(shù)等各種參數(shù)。得到閥芯倒角對(duì)流動(dòng)參數(shù)的影響規(guī)律。

穩(wěn)壓器噴霧閥；閥芯倒角；壁面剪切力；形阻系數(shù)

0 引言

V型閥芯旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)閥因?yàn)榫哂袎翰畲?，切斷性能好，流阻系?shù)小，同時(shí)有很高的調(diào)節(jié)精度等一系列特性而在當(dāng)前被大量的使用[1]，此種結(jié)構(gòu)球閥隨著智能控制器件技術(shù)發(fā)展，將會(huì)代替部分直行程調(diào)節(jié)法以及O型球閥，在未來(lái)將會(huì)有越來(lái)越多的使用。

對(duì)于調(diào)節(jié)閥，閥門(mén)在關(guān)閉時(shí)，通常要求有小于一定量的流體流經(jīng)閥門(mén)[2,3]，而此時(shí)由于閥門(mén)小間隙處的流通面積很小，即使在閥門(mén)前后壓差不大的情況下，也會(huì)在閥門(mén)的閥芯和閥座之間的小間隙處產(chǎn)生很大的流速，同時(shí)在閥芯和閥座邊緣上產(chǎn)生很大的壁面剪切力。而實(shí)際在生產(chǎn)加工閥芯閥座時(shí)，通常會(huì)在閥芯/閥座的棱邊上加工一定尺寸的倒角，以減少流體流動(dòng)對(duì)閥芯閥座棱邊的壁面剪切力與磨損。本文則通過(guò)CFD計(jì)算軟件Fluent，針對(duì)閥芯棱邊處設(shè)置不同尺寸的倒角來(lái)分析流體在閥芯閥座上產(chǎn)生的剪切力的變化情況，以及當(dāng)閥芯取不同倒角尺寸時(shí)，計(jì)算閥門(mén)的體積流量，最大流動(dòng)速度以及閥門(mén)的形阻系數(shù)，得出閥芯倒角尺寸變化時(shí)壁面剪切力，閥門(mén)體積流量，閥門(mén)形阻系數(shù)的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模擬模型

1.1 控制方程和湍流模型

流體在閥內(nèi)流動(dòng)時(shí)滿足質(zhì)量守恒方程，動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程[4]，本文由于不涉及傳熱的計(jì)算，所以不需考慮能量方程。

本文中的流體為核電站一回路中的冷卻劑，屬于牛頓流體，對(duì)于牛頓流體在閥內(nèi)流動(dòng)，流動(dòng)滿足經(jīng)典的N-S方程,其中質(zhì)量守恒方程可以寫(xiě)成：

(1)

由于核電站一回路中的壓力和溫度波動(dòng)范圍很小，故冷卻劑的密度ρ在溫度和壓力變化很小時(shí)，可以視其密度ρ為恒定值，故式(1)的質(zhì)量守恒方程可以簡(jiǎn)化為：

▽·ρU=0

(2)

對(duì)于任何流動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)量守恒方程是必須滿足的基本定律，經(jīng)典的N-S動(dòng)量方程可以寫(xiě)成：

(3)

對(duì)于流場(chǎng)邊界較為復(fù)雜的一些工程問(wèn)題，由于湍流流動(dòng)非常復(fù)雜，對(duì)流動(dòng)進(jìn)行直接數(shù)值模擬(DNS)計(jì)算需要耗費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)容量與時(shí)間。而基于Reynolds時(shí)間平均的NS方程(RANS)的模擬方法在處理不可壓縮流動(dòng)時(shí)，得到了廣泛的適用。在CFD軟件Fluent中，RANS方程的分量形式為：

(4)

1.2 三維幾何模型和邊界條件

由于流體是在閥門(mén)腔內(nèi)流動(dòng)，所以需要提取閥門(mén)內(nèi)腔作為流動(dòng)的計(jì)算域。提取閥門(mén)內(nèi)腔后的三維流道結(jié)構(gòu)圖俯視圖如圖1所示，在不影響計(jì)算精度與結(jié)果的前提下，為了減少網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與計(jì)算量，根據(jù)閥門(mén)流道的對(duì)稱性，對(duì)三維流道結(jié)構(gòu)的一半模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分與流動(dòng)分析，如圖3所示，三維流道的結(jié)構(gòu)圖，以及流道的網(wǎng)格劃分結(jié)果參照如圖1—圖3，以下各圖中空心箭頭表示流體流動(dòng)方向。

圖1 閥門(mén)流道結(jié)構(gòu)圖(對(duì)閥芯棱邊取不同的倒角)

圖2 閥門(mén)流道結(jié)構(gòu)的右視圖(對(duì)閥芯棱邊取不同的倒角)

本文采用Ansys中的workbench集成模塊中的Fluent[6]對(duì)閥門(mén)進(jìn)行流動(dòng)仿真分析，對(duì)圖3中的三維結(jié)構(gòu)的一半流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分時(shí)整體采用四面體網(wǎng)格，在近壁面采用inflation算法進(jìn)行boundary layer的設(shè)置，boundary layer設(shè)為5層，每層厚度比為標(biāo)準(zhǔn)的1.2.在幾何尺寸小的地方，網(wǎng)格進(jìn)行加密。最終網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示：網(wǎng)格單元數(shù)目為1 009 990個(gè)。

圖3 對(duì)流道的A-A半剖圖劃分網(wǎng)格圖

根據(jù)穩(wěn)壓器噴霧閥在壓水堆核電站一回路中工作時(shí)的工作條件來(lái)設(shè)置流動(dòng)分析的邊界條件。壓水堆核電站一回路中的實(shí)際工作情況如下：壓水堆核電站一回路中的冷卻劑的攝氏溫度292℃，壓力通常在14.9-15.7MPa, 而穩(wěn)壓器噴霧閥進(jìn)出口兩端的壓差小于0.5MPa,本文中的邊界條件設(shè)定如下：

在Fluent中將流體介質(zhì)設(shè)置為292℃時(shí)的水，密度為728.24kg/m3,粘度為0.000936Pas.為不可壓縮流體，而對(duì)于不可壓縮流體通常進(jìn)行流動(dòng)分析時(shí)適合采用pressure-based(基于壓力)的求解器。

湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型[7]，壁面設(shè)置采用標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)滑移壁面條件。進(jìn)口邊界設(shè)為壓力入口邊界，壓力設(shè)置為15.7MPa。出口邊界設(shè)置為壓力出口邊界，壓力設(shè)置為15.3MPa。收斂精度殘差設(shè)置為10-4，迭代算法采用SIMPLE算法進(jìn)行求解。

圖1中所示的閥芯棱邊分別設(shè)置為0.1mm，0.12mm，0.14mm，0.16mm，0.18mm，0.2mm六個(gè)不同的圓弧倒角尺寸，在Fluent中分別對(duì)設(shè)置的六種不同尺寸倒角下的流動(dòng)域進(jìn)行流動(dòng)計(jì)算，求解控制參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)值，空間域離散格式采用一階迎風(fēng)格式，動(dòng)量方程與壓力方程離散格式也采用一節(jié)迎風(fēng)格式，邊界條件以及計(jì)算模型的采取均按照以上條件進(jìn)行設(shè)置。

3 仿真分析計(jì)算結(jié)果

圖4—圖6分別是閥門(mén)內(nèi)的壁面剪切力與最大流速云圖。以供參考，具體數(shù)值請(qǐng)參考表1。

圖4 閥門(mén)中閥芯閥座接的壁面剪切力圖

圖5 壁面剪切力進(jìn)行局部放大圖

圖6 閥門(mén)內(nèi)的速度分布云圖

閥芯取不同倒角時(shí)的流動(dòng)分析結(jié)果如表1所示，表1中分別列出不同倒角尺寸時(shí)的壁面剪切力，閥門(mén)的最大流速，形阻系數(shù)等：

表1 閥芯不同倒角計(jì)算得到的流動(dòng)參數(shù)

將表1中的數(shù)據(jù)以曲線的形式表示，可得如圖7—圖11所示結(jié)果。

圖7 閥門(mén)內(nèi)最大流度隨倒角的變化關(guān)系圖

圖8 壁面最大剪切力隨倒角的變化關(guān)系圖

從圖7中所示結(jié)果可以看出，閥芯倒角取不同尺寸時(shí)，閥門(mén)的最大流速先增大，后減小。當(dāng)閥芯倒角取0.16mm～0.17mm時(shí)，閥門(mén)的最大流速達(dá)到極值，此后閥芯倒角取更大值時(shí)，閥門(mén)最大流速反而減小。 同樣從圖8中可以看出，不同倒角時(shí)，壁面的最大剪切力也不一樣，其變化規(guī)律也是隨著倒角增大，壁面最大剪切力先增大后減小，值得注意的是，壁面最大剪切力在閥座上，而不是在閥芯棱邊上。

圖9 閥門(mén)流量隨倒角的變化關(guān)系圖

圖10 閥門(mén)形阻系數(shù)隨倒角的變化關(guān)系圖

從圖9和圖10可以看出，隨著閥芯棱邊倒角的增大，閥門(mén)流量逐漸增大,閥門(mén)的形阻系數(shù)明顯下降，這與實(shí)際的測(cè)試的結(jié)果相符。

圖11 閥門(mén)內(nèi)的平均壁面剪切力圖

從圖8和圖11的對(duì)比可以看到，在閥芯倒角取0.16時(shí)閥門(mén)壁面最大剪切力為極值，而閥門(mén)內(nèi)的平均壁面剪切力為最小，和壁面剪切力分布云圖相符。

4 結(jié)論

根據(jù)以上的分析結(jié)果，可以得出如下結(jié)論：

1) 在其他條件不便的情況下，穩(wěn)壓器噴霧閥V型旋轉(zhuǎn)閥芯的V型槽棱邊的倒角尺寸增大，流經(jīng)閥門(mén)的體積流量逐漸增大。

2) 在其他條件不便的情況下，穩(wěn)壓器噴霧閥V型旋轉(zhuǎn)閥芯的V型槽邊緣上的倒角尺寸增大，閥門(mén)的形阻系數(shù)逐漸的減小。

3) 在其他條件不便的情況下，穩(wěn)壓器噴霧閥V型旋轉(zhuǎn)閥芯的V型槽邊緣上的倒角尺寸增大，閥門(mén)的最大壁面剪切力先增大后減小，在0.16mm倒角尺寸時(shí)，壁面最大剪切力為不同倒角尺寸時(shí)的極大值，而壁面的平均剪切

力為不同倒角尺寸對(duì)應(yīng)的極小值。

4) 從壁面剪切力分布云圖可以看出，壁面最大剪切力是在閥座內(nèi)表面上靠近閥芯的夾角處，而不是在閥芯的棱邊處，因?yàn)殚y芯和閥座幾何結(jié)構(gòu)使得流體在此處產(chǎn)生了更大的漩渦，導(dǎo)致此處剪切力最大。

所以綜上所述，可以得出如下結(jié)論，閥門(mén)閉合時(shí)，在滿足小流量要求值時(shí)，增大閥芯倒角可以明顯減小閥芯形阻系數(shù)。增大閥芯倒角尺寸能改變壁面剪切力，壁面的平均剪切力與壁面的最大剪切力具有相反的取值，也就是當(dāng)壁面最大剪切力達(dá)到最大值時(shí)，而壁面平均剪切力卻達(dá)到最小，即閥芯倒角尺寸能夠能夠改善平均的壁面剪切力，但是并不能改善局部的壁面剪切力，這個(gè)結(jié)論對(duì)于流體介質(zhì)含有固體顆粒的閥門(mén)更為重要，因?yàn)楸诿婕羟辛Φ姆植贾苯佑绊懙介y芯閥座的磨損情況，對(duì)于分析閥芯閥座的磨損有了理論上的依據(jù)。

[1] 陳金霞.V型調(diào)節(jié)球閥球芯結(jié)構(gòu)及應(yīng)用特點(diǎn)分析[J].應(yīng)用研究,32(3).

[2] 姚曉春.V形調(diào)節(jié)球閥的數(shù)值模擬及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009：4-20.

[3] 張豐位.V形調(diào)節(jié)球閥閥芯結(jié)構(gòu)與等百分比流量特性分析[J].蘭州理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.

[4]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[5] 周勇軍，顧伯勤.Ansys軟件在調(diào)節(jié)閥閥芯型線設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].化工機(jī)械，29(6).

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Relationship between Chamfer of V-ball Disc and Flow Parameter

YANG Hua-biao1, ZHANG Ji-ge1，SHI Bao-xin2，WANG De-zhong1

(1. School of Mechanic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. No.7 Automatic Instrumet Factory of Shanghai Auto Mation Instrumentation Co.,LTD Shanghai 202150,China )

The V-ball disc regulating valve is used widely in the fluid industry because of its advantages such as low shape resistance coefficient,good fluid-shear ability and high controlling accuracy.In order to reduce the wall shear stress on the disc and disc seat during the fluid flow inside the valve, its the disc edge needs to be chamfered.

The V-ball disc is used for the presserizer spray control valve in the nuclear power station to regulate the flow.In order to find the relationship between the chamfer of the disc and the flow parameters,3D numerical simulations are carried out based on the RANS method and CFD software FLUENT which is built on finite volume method and K-ε and SIMPLE solver algorithm is employed during the calculations. From the numerical solution,it turns out that the chamfer on the edge of the V-ball disc increases with the increase of the volume flow rate,but reducing the shape resistance coefficient,increases the wall shear stress locally on the disc and disc seat.

spray control valve; chamfer;wall shear stress；shape resistance coefficicient

楊化飆(1984-)，男，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，主要從事核電站一回路中閥門(mén)的流動(dòng)分析研究。

TH702

A

1671-5276(2014)02-0010-03

2013-01-29