劉承婷，萬榮暉

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

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基于FLUENT的球型止回閥流場CFD模擬分析

劉承婷，萬榮暉

(東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318)

為了研究球型止回閥內(nèi)部流場流動狀態(tài)和水力特性，以及閥門自行關(guān)閉所產(chǎn)生的水擊現(xiàn)象，采用計算流體力學(xué)方法，建立止回閥內(nèi)部流場計算模型和球體運動數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用動網(wǎng)格技術(shù)求解止回閥關(guān)閉過程中閥體內(nèi)速度場、壓力場分布，以及球體表面靜壓曲線變化。模擬計算得出：止回閥內(nèi)球體表面存在負壓區(qū)域，造成汽蝕現(xiàn)象；閥體壁面附近存在漩渦流，這將加強殼體震動，削弱其工作效率。為消除止回閥內(nèi)負壓區(qū)域和漩渦流等不穩(wěn)定流態(tài)，對其入口部件進行結(jié)構(gòu)改進，減少擾流作用，模擬結(jié)果表明：球體表面負壓區(qū)域減小，汽蝕現(xiàn)象改善，閥體中漩渦流消失，止回閥工況較改進前穩(wěn)定。

粘性流體力學(xué)；球型止回閥；CFD；內(nèi)部流場；汽蝕；漩渦流

止回閥是依靠介質(zhì)本身流動而自動開、閉的閥門，其主要作用是防止介質(zhì)倒流、電機反轉(zhuǎn)，以及消除泵或電機突然停止工作對管路所造成的水錘破壞[1-2]。然而，止回閥在自行關(guān)閉時可能會產(chǎn)生水擊現(xiàn)象，嚴重時將危及管路系統(tǒng)安全。所以，正確分析止回閥的內(nèi)流場流態(tài)分布特征，以及流場壓力分布，并計算水擊壓力，顯得尤為重要。另外，止回閥的設(shè)計除了要滿足流量要求外，還要計算流阻大小、模擬分析是否存在脫流或漩渦流等不穩(wěn)定流態(tài)，這將直接影響止回閥工作效率和產(chǎn)品的競爭力[3-4]。

針對上述問題，筆者應(yīng)用計算流體[5-7](computational fluid dynamics，簡稱CFD)模擬止回閥內(nèi)部流場流動狀態(tài)，以及流場壓力分布，以便更好地分析止回閥內(nèi)部流動特征和水利特性，為改進止回閥過流部件提供參考，從而降低流動損耗，提高止回閥的工作效率。

1 流場計算模型

球型止回閥主要由閥體、膠球、錐形倒流體等組成[8]，當(dāng)止回閥開啟時，流體介質(zhì)進入閥體內(nèi)，在彈簧力、流體作用力和重力作用下，球體處于平衡位置。利用CAD軟件構(gòu)造止回閥的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，其中，容器入口和出口尺寸均為100 mm，閥殼長為350 mm，小球直徑為120 mm，止回閥寬為200 mm。輸出構(gòu)造模型并運用FLUENT前處理器ICEM對球型止回閥進行網(wǎng)格劃分，由于球體附近流體紊流最為嚴重，因此需對球體附近網(wǎng)格進行局部加密，以便提高計算精度，最終生成網(wǎng)格。球型止回閥幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

圖1 止回閥幾何模型簡化示意圖Fig.1 Simplified schematic diagram of the geometric model of check valve

圖2 止回閥幾何結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分模型Fig.2 Mesh model of the geometric structure of check valve

2 FLUENT計算模擬

2.1 參數(shù)設(shè)置

利用FLUENT 3D單精度求解器對網(wǎng)格進行計算，采用瞬態(tài)、非穩(wěn)態(tài)標準k-ε湍流模型，流體為液態(tài)水，密度為1 000 kg/m3，動力黏度系數(shù)為1.003×10-3Pa·s。操作環(huán)境在重力條件下，Y方向重力加速度為-9.81 m/s2；并設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，其中入口邊界為壓力入口，2.03 Pa(2 atm)，湍流強度為5%，湍流黏度比為10；出口邊界為壓力出口，靜壓為0；球體為壁面wall，并用UDF來定義球體的運動方程。

2.2 動網(wǎng)格設(shè)置

由于流體流經(jīng)止回閥球體是運動的，因此需采用動網(wǎng)格對模型進行處理。動網(wǎng)格遵循如下守恒方程[9-10]：

(1)

式中：ρ為流體密度；Φ為通量；?V為控制體V的邊界；u為流體的速度向量；ug為動網(wǎng)格的速度向量；Γ為擴散系數(shù)；SΦ為通量Φ的源項。

根據(jù)球體實際工況下的受力特點，采用動網(wǎng)格預(yù)定義DEFINE_CG_MOTION編寫UDF程序定義球體運動的數(shù)學(xué)模型。

#include"udf.h"

#definePI3.14286

DEFINE_CG_MOTION(piston,dt,vel,omega,time,dtime)

{realamp,freq;

/*resetvelocities*/

NV_S(vel, =, 0.0);

NV_S(omega, =, 0.0);

/*computepressureforceonbodybyloopingthroughallfaces*/

amp=5e-3;

freq=1.0/0.2;

vel[1]=amp*sin( 2.0 *PI*freq*time);}

2.3FLUENT計算結(jié)果分析

采用Coupled算法求解壓力速度耦合方程，壓力空間離散采用PRESTO!算法[11-13]。經(jīng)模擬計算得出止回閥內(nèi)部流體域流動狀態(tài)，并觀察流體域的壓力場和速度場分布。

止回閥內(nèi)部流體域壓力場分布如圖3所示。殼體入口到球體左側(cè)，流體壓力分布呈遞增趨勢，在球體附近達到最大值2.00Pa(1.97atm)；在球體上側(cè)和下側(cè)附近均出現(xiàn)負壓區(qū)域，最大負壓為-1.19Pa(-1.17atm)，這將造成汽蝕現(xiàn)象，影響止回閥的工作效率和使用壽命。

圖3 止回閥流體域壓力場分布圖Fig.3 Distribution of pressure field in the fluid field of the check valve

止回閥內(nèi)部流體域速度矢量場如圖4所示。殼體入口到球體左側(cè)，流體速度矢量分布呈遞減趨勢，在接近球體左側(cè)附近，流體速度矢量趨近于0，因此靜壓相對較高；球體上下兩側(cè)附近流體速度矢量明顯大于其他流體區(qū)域，這是由于球體上下兩側(cè)存在負壓，擾流嚴重；由于止回閥內(nèi)流體流態(tài)不穩(wěn)定，在閥體上下壁面附近均形成漩渦流，增大閥體的震動和噪音，從而降低止回閥的使用壽命。為了提高止回閥的工作效率和使用壽命，需對球型止回閥結(jié)構(gòu)進行改進，以消除球體附近的負壓區(qū)域，以及閥體上下兩側(cè)的漩渦流。

圖4 止回閥流體域速度矢量場分布圖Fig.4 Internal fluid field velocity vector field distribution of the check valve

2.4 止回閥結(jié)構(gòu)改進計算分析

經(jīng)上述分析計算，在止回閥入口處的閥體上下兩側(cè)存在漩渦流，為了消除這部分不穩(wěn)定流態(tài)，對止回閥的入口部件進行結(jié)構(gòu)改進。運用ICEM對改進后的流體域進行網(wǎng)格劃分，并對球體附近的網(wǎng)格進行加密處理，以加快收斂，提高計算精度。

在FLUENT求解器中，設(shè)置相同的參數(shù)和算法，模擬計算止回閥結(jié)構(gòu)改進后的內(nèi)部流體域流動狀態(tài)，如圖5、圖6所示。并對比止回閥結(jié)構(gòu)改進前后球體壁面X方向(作用力水平向右)靜壓分布變化,如圖7、圖8所示。

圖5 止回閥流體域壓力場分布Fig.5 Distribution of pressure field in the fluid field of the check valve

圖6 止回閥流體域速度場分布Fig.6 Internal fluid field velocity vector field distribution of the check valve

圖7 結(jié)構(gòu)改進前球體壁面靜壓分布圖Fig.7 Static pressure distribution of sphere wall before structure improvement

圖8 結(jié)構(gòu)改進后球體壁面靜壓分布圖Fig.8 Static pressure distribution of spherewall after structure improvement

止回閥結(jié)構(gòu)改進后，球體壁面仍存在負壓，但負壓作用的區(qū)域較改進前縮小，且負壓極值降低，從結(jié)構(gòu)改進前的-1.19 Pa(-1.17 atm)變?yōu)楦倪M后的-0.76 Pa(-0.748 atm)，負壓對止回閥中球體的作用減小，汽蝕現(xiàn)象有所改善；在速度場分布圖中可以看出，止回閥殼體上下兩側(cè)的漩渦流消失，因此止回閥內(nèi)的流體對殼體的作用力減小，止回閥震動削弱，工況較改進前穩(wěn)定，從而提高工作效率并延長球型止回閥的使用壽命。

3 結(jié) 論

經(jīng)過對球型止回閥流場CFD的模擬分析，可以得出以下結(jié)論:

1)球型止回閥處于穩(wěn)定狀態(tài)時，在球體上下兩側(cè)附近出現(xiàn)負壓區(qū)域，造成汽蝕現(xiàn)象；

2)閥體中存在漩渦流，將加強球型止回閥殼體震動，降低止回閥的使用壽命；

3)止回閥結(jié)構(gòu)改進后，球體上下兩側(cè)負壓區(qū)域減小，汽蝕現(xiàn)象改善，閥體中漩渦流消失，止回閥工況較改善前穩(wěn)定。

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CFD simulation analysis of the ball type check valve flow field based on FLUENT

LIU Chengting， WAN Ronghui

(School of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing, Heilongjiang 163318, China)

In order to study the ball type check valve interior flow field flow and hydraulic characteristics, as well as the water hammer phenomenon caused by valve self-closing, using computational fluid dynamics method to establish check valve interior flow field calculation model and sphere motion mathematical model, and use dynamic mesh technique to study the velocity field distribution, the pressure field distribution and the variation of spheroid surface static pressure in the process of valve closing. The simulation results show that there is a negative pressure area on the surface of the ball in the check valve, which causes the cavitation phenomenon. There is a vortex flow near the valve body, which will strengthen the vibration of the shell and weaken the work efficiency. To eliminate the areas of negative pressure and unsteady flow state of vortex in the check valve, the structure of the inlet part is improved to reduce the turbulence effect. Simulation results show that the negative pressure area of the sphere surface is reduced and the cavitation is improved, the vortex flow in the valve body is disappeared, and the check valve operating conditions are more stable than before.

viscous fluid mechanics；ball check valve; CFD; internal flow field ; cavitation; vortex flow

1008-1534(2016)04-0293-04

2016-04-18;

2016-05-12；責(zé)任編輯：張 軍

國家重大專項(2016ZX05052-002)

劉承婷(1978—)，女，黑龍江大慶人，副教授，博士，主要從事復(fù)雜流體方面的研究。

E-mail:435276627@qq.com

TE82

A

10.7535/hbgykj.2016yx04005

劉承婷，萬榮暉.基于FLUENT的球型止回閥流場CFD模擬分析[J].河北工業(yè)科技,2016,33(4):293-296. LIU Chengting，WAN Ronghui.CFD simulation analysis of the ball type check valve flow field based on FLUENT[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(4):293-296.