孟思佳，寇子明

（1.太原理工大學，山西太原 030024；2. 山西省礦山流體控制工程（實驗室）技術(shù)研究中心，山西太原 030024）

1 前言

礦井水排放系統(tǒng)是一項系統(tǒng)工程，應(yīng)該從設(shè)計、設(shè)備選擇、設(shè)備安裝和設(shè)備運行等方面進行綜合考慮。通過計算，優(yōu)化閥門的關(guān)閉規(guī)律，降低系統(tǒng)水錘現(xiàn)象，可依據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果進行礦井水排放設(shè)備調(diào)試和運行［1～3］。根據(jù)水力過渡過程最大壓力進行閥門和管道組成件的選擇，可確保礦井水排放系統(tǒng)安全運行。合理調(diào)控止回閥的開度能夠有效緩解排水系統(tǒng)中的壓力變化。因此國內(nèi)外很多學者對止回閥流場進行了大量研究，并且取得了一定成果［4～6］。

秦明海分析了調(diào)節(jié)性能較好的閥門過流特性，為閥門控制優(yōu)化曲線的尋找?guī)硪欢ǖ目刂平ㄗh［7］。李東升等在利用水激波二維方程模型型時，數(shù)值計算得到在閥門處壓強升降變化都較慢，最后逐漸衰弱到消失，更加反應(yīng)出了實際的水激波情形［8］。張亮等通過對一些現(xiàn)場案例進行實例計算，指出分析閥門的過流特性是合理地調(diào)控閥門的必要研究手段之一［9～12］。為了提高礦井水排放系統(tǒng)的安全運行和穩(wěn)定工作，本文針對一種閥瓣與閥桿式止回閥，建立流固耦合數(shù)學模型，通過有限元分析軟件數(shù)值計算不同相對開度下的內(nèi)部流場以及應(yīng)力應(yīng)變情況。

2 流固耦合控制方程

2.1 流體控制方程

由于止回閥內(nèi)部的液體流動屬于湍流領(lǐng)域，因此可以將液體介質(zhì)看做連續(xù)體，采用的計算模型如下。

連續(xù)性方程：

式中ρ——流體密度

u——流體相速度

動量方程：

式中i，j，k——下標，三維坐標系中的坐標方向

μ——流體動力黏度

δij——單位張量

標準k－ε模型及其湍動能和耗散率方程：

式中Gk——速度梯度湍動能系數(shù)

Gb——浮力湍動能系數(shù)

YM——總耗散率系數(shù)

σk——湍動能對應(yīng)的普朗特數(shù)

Sk——自定義項

式中C1ε，C2ε，C3ε——經(jīng)驗常數(shù)

σε——湍動耗散率對應(yīng)的普朗特數(shù)

Sε——自定義項

2.2 流固耦合求解方法

首先在Solidworks中分別建立流體域以及固體域的幾何模型，在ANSYS Workbench平臺中將流體域模型導入到ICEM中進行網(wǎng)格劃分，然后在Fluent求解器中進行求解運算直至收斂。同時將固體域模型在Static Structural中進行網(wǎng)格劃分、固體材料以及邊界條件的設(shè)定。最后將Fluent求解器中的求解結(jié)果關(guān)聯(lián)到Static Structural軟件中進行流體表面壓力數(shù)據(jù)的傳遞，通過ANSYS求解器的運算獲得流固耦合的計算結(jié)果，具體流程如圖1所示。

圖1 流固耦合工作流程

3 有限元模型建立

止回閥的結(jié)構(gòu)域包括閥體、閥芯等實體結(jié)構(gòu)所在的區(qū)域。在SolidWorks軟件建模過程中將影響較小的結(jié)構(gòu)進行簡化，可提高網(wǎng)格質(zhì)量且加快仿真收斂。為提高仿真的真實性，取止回閥入口端以上長度為3倍管道直徑，出口端以下長度為5倍管道直徑的管道長度作為內(nèi)流道的流體域。止回閥結(jié)構(gòu)域及內(nèi)流道流體域幾何模型如圖2所示。

圖2 止回閥及內(nèi)流道流體域幾何模型

內(nèi)流道流體域采用專業(yè)的前處理軟件ICEM進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型選擇非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將壓力和速度變化較大的部分進行網(wǎng)格加密處理以提高運算收斂性和精度，對于結(jié)構(gòu)簡單且速度、壓力變化較小的部分則將網(wǎng)格設(shè)置較為稀疏從而控制網(wǎng)格的總數(shù)以提高運算速度；ANSYS內(nèi)置的mesh網(wǎng)格劃分模塊功能較為強大且滿足對于結(jié)構(gòu)的分析，通過網(wǎng)格邊長來設(shè)置網(wǎng)格的大小。網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為474333個，網(wǎng)格質(zhì)量大于0.4的達到99.99%。止回閥結(jié)構(gòu)域及內(nèi)流道流體域如圖3所示。

圖3 內(nèi)流道流體域有限元模型

流場域內(nèi)液體采用“低進高出”的流向，即液體從下腔通過閥座進入到上腔。模擬時做如下假設(shè)：（1）內(nèi)流場流體域的流體為液態(tài)水；（2）止回閥內(nèi)部空間內(nèi)充滿液體；（3）不考慮溫度的變化，即結(jié)構(gòu)域、流體域和外界不產(chǎn)生溫度交換。進口邊界條件設(shè)置為速度入口，取3 m/s；進口邊界條件設(shè)置為壓力出口，出口靜壓力設(shè)為1 MPa。模擬采用標準k－ε雙方程湍流模型，采用SIMPLE算法，各參考指標殘差的精度設(shè)置為0.0001。

4 計算結(jié)果與分析

4.1 流阻特性分析

流阻系數(shù) ζ表示止回閥對流過液體的阻礙能力，通常其大小取決于止回閥的結(jié)構(gòu)尺寸以及決定液流直線性的體腔與形狀、橫截面積等?？偭髯柘禂?shù)近似等于每個零件阻力系數(shù)的總和。流阻系數(shù)的計算式：

式中Δp——壓力損失，Pa

ρ——液體密度，kg/m3

v——液體在管道中的平均速度，m/s

以速度入口3 m/s，出口靜壓1 MPa進行計算，不同相對開度下止回閥的流阻系數(shù)如表1所示。可以看出，當相對開度小于25%時，止回閥的流阻系數(shù)很大，流阻隨著相對開度的增加急劇遞減；當相對開度處于25%～62.5%之間時，隨著相對開度的增加流阻系數(shù)變化相對緩慢；當相對開度大于62.5%時，流阻系數(shù)基本保持不變。當相對開度較小時，閥瓣與閥座之間的間隙較小，閥瓣上下兩側(cè)形成較大的壓差，則流阻系數(shù)較大，液體產(chǎn)生很大的壓力損失，能量消耗較大。隨著閥瓣向上移動，止回閥的相對開度逐漸增大，間隙的增大使得閥瓣上下兩側(cè)壓差逐漸減小，流阻系數(shù)也隨之減小，且止回閥相對開度達到一定數(shù)值后流阻特性基本保持不變。

表1 不同開度下止回閥的流阻系數(shù)

4.2 內(nèi)部流場分析

止回閥的內(nèi)部流場特征決定了止回閥的工作性能，經(jīng)過ANSYS Workbench平臺仿真得到了止回閥在不同相對開度下的壓力云圖及速度云圖。以相對開度為50%的條件為例，圖4給出了流體域的壓力云圖以及速度云圖。閥瓣上側(cè)與下側(cè)有較大的壓差，閥瓣的右端與閥座之間產(chǎn)生了較大的壓力梯度，有利于使止回閥打開。閥座與閥瓣的右端由于流通面積變化較大則流動特性較為復雜，液體流過該區(qū)域后流通面積增大則不同程度上形成了低壓區(qū)與高速射流區(qū)。液體遇到閥座與閥瓣后分別逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)后匯合成一股液體向止回閥出口流出。閥瓣與閥座的間隙中形成一股高速射流，隨著開度的增大而逐漸減弱，能量損失也逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。

圖4 開度為50%條件下流體域云圖

圖5給出了不同相對開度下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ截面平均壓力及速度曲線。可以看出，當閥瓣的相對開度較小時，液體通過止回閥的阻力較大，則入口壓力和平均速度較大。隨著相對開度的增加，平均壓力快速地降低且相對開度在50%以后逐漸趨于平穩(wěn)；隨著相對開度的增加，平均速度快速降低但在相對開度為37.5%以后發(fā)生增加的趨勢。值得注意的是Ⅲ截面的平均壓力始終趨勢穩(wěn)定，這說明本設(shè)計的止回閥對壓力波動的控制具有明顯效果，能夠有效緩解關(guān)閥導致的水錘現(xiàn)象。

圖5 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ截面平均壓力和速度曲線

4.3 閥瓣與閥桿耦合分析

由流阻特性可知，止回閥的流阻隨著相對開度的增加而增大，相對開度較小時閥瓣上下兩側(cè)的壓差較大，等效應(yīng)力和變形量則相對較大，因而本文對相對開度較小的情況進行分析。圖6所示為相對開度為12.5%的閥瓣與閥桿表面壓力、等效應(yīng)力分布以及總變形量?？芍y瓣的下表面壓力較大且壓力值為從中心向四周呈梯度減小，閥瓣其余表面以及閥桿的表壓則相對較小。等效應(yīng)力主要集中在閥瓣與閥桿連接處以及閥桿與閥體的接觸處，最大值出現(xiàn)在閥桿與閥體的接觸處，其主要是由于閥瓣下表面的壓力值非對稱，造成閥桿彎曲變形使其與閥體接觸造成局部應(yīng)力集中?？傋冃瘟康淖畲笾抵饕霈F(xiàn)在閥瓣靠近止回閥出口的右端，其是由于閥瓣右端與閥座之間區(qū)域的流體有較大的壓力梯度且閥瓣上下兩側(cè)有很大的壓差導致閥瓣受力變形。

圖6 閥瓣與閥桿流固耦合分析

礦井排水用新型止回閥由于結(jié)構(gòu)的特點，液體通過閥座方向與閥瓣垂直，會對流體產(chǎn)生很大的流阻，將閥瓣的迎流端面加工成外圓弧曲面，可將作用于靠近閥瓣中心區(qū)域的液體沿著圓弧面分開從而較快地流過閥瓣，減小垂直沖擊閥瓣造成的能量損失，同時也可減小閥瓣與閥桿連接處以及閥桿與閥體的接觸處的應(yīng)力值。經(jīng)計算，優(yōu)化后等效應(yīng)力的最大值降低了59.5%，最小值降低了14.8%。達到了減小閥瓣與閥桿連接處以及閥桿與閥體的接觸處應(yīng)力值的目的，對提高止回閥關(guān)鍵部件的工作性和可靠性具有非常重要的意義。

5 結(jié)論

（1）運用CFD技術(shù)對止回閥三維模型的內(nèi)部流場進行了仿真，在計算止回閥流阻系數(shù)的基礎(chǔ)上，得到了不同開度下止回閥的速度及壓力云圖，模擬了止回閥內(nèi)液體的流動情況，得到不同截面位置的平均壓力及速度結(jié)果。

（2）仿真得到了閥瓣和閥桿的等效應(yīng)力主要出現(xiàn)在閥瓣與閥桿的連接處以及閥桿與閥體的接觸處，最大的變形量主要出現(xiàn)在閥瓣靠近止回閥出口處。在最大應(yīng)力處進行加強處理避免應(yīng)力集中，通過將閥瓣的迎流端面加工成外圓弧曲面的方式進行優(yōu)化，可提高止回閥的使用壽命。

［1］趙記微，盧國斌.煤礦礦井水的處理與綜合利用［J］.煤炭技術(shù)，2008，27（2）：145－147.

［2］袁向濤，楊樹保，張風磊，等.涌水綜采工作面排水系統(tǒng)改造實踐［J］.煤礦安全，2013，44（6）：120－122.

［3］莫樊，郁鐘銘，吳桂義，等.煤礦礦井水資源化及綜合利用［J］.煤炭工程，2009（6）：103－105.

［4］李賀軍，蔡勇，向北平，等.梭式止回閥關(guān)閉時的流場特性研究［J］.機械設(shè)計與制造，2012（6）：226－228.

［5］巴鵬，閆小樓，歐周華，等.基于CFD技術(shù)的截止閥阻力特性分析［J］.機床與液壓，2013，41（1）:153－156.

［6］劉潤花，李敬濤，朱全印. 節(jié)能型礦井水泵自動控制系統(tǒng)的研制［J］. 煤炭工程，2007（8）：100－101.

［7］秦明海. 閥門過流特性對水擊影響的分析［J］.水利電力機械，1997（5）：9－13.

［8］李東升，程陽，胡佳成，等.氣體靜壓節(jié)流器變形量的流固耦合數(shù)值分析［J］.機械設(shè)計與制造，2015（2）：81－83.

［9］戴曉春，常學森，李傳奇，等.蝶式緩沖止回閥的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化設(shè)計［J］.流體機械，2015，43（12）：41－43.

［10］鄭國勝，葛如煒.熱力膨脹閥參數(shù)對定排量汽車空調(diào)系統(tǒng)影響的研究［J］.流體機械，2015，43（2）：80－84.

［11］劉季華，朱彤，謝飛博，等.CRC渦旋膨脹機旁通閥/開啟閥切換工況系統(tǒng)性能參數(shù)變化研究［J］.流體機械，2015，43（4）：1－7.

［12］張亮，何環(huán)宇，張學偉，等.垂直軸水輪機單向流固耦合數(shù)值研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2014，42（5）:80－84.