雷 鵬，汪小峰，馮立斌

（安徽銅都流體科技股份有限公司，安徽桐城 244000）

ANSYS在閥門研發(fā)中的應(yīng)用

雷 鵬，汪小峰，馮立斌

（安徽銅都流體科技股份有限公司，安徽桐城 244000）

閥門結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要借助功能性軟件。ANSYS是當(dāng)前設(shè)計(jì)閥門最便捷、最有效的軟件，通過(guò)ANSYS可對(duì)閥門實(shí)際情況進(jìn)行模擬，并對(duì)各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效演練。ANSYS是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的閥門仿真軟件，就ANSYS在閥門研發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展開(kāi)分析，為閥門研發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

ANSYS；閥門；研發(fā)

當(dāng)前無(wú)論在流體機(jī)械或是流體傳動(dòng)控制系統(tǒng)中，需要使用閥門作為系統(tǒng)構(gòu)建，在流體系統(tǒng)中閥門主要作用是控制流體的壓力、流量、方向等，使得流體系統(tǒng)可穩(wěn)定運(yùn)行。ANSYS已經(jīng)是當(dāng)前閥門研發(fā)中必不可少的軟件，通過(guò)ANSYS可對(duì)各種情況進(jìn)行模擬，控制各項(xiàng)因素。

1 ANSYS模擬低溫環(huán)境下閥門研發(fā)

1.1 材料的物性參數(shù)

該低溫蝶閥主體結(jié)構(gòu)采用特定不銹鋼材質(zhì)，公稱直徑為DN250，密度為8 000kg/m3。在研發(fā)設(shè)計(jì)中采用長(zhǎng)頸閥蓋結(jié)構(gòu)，將填料函隔離在低溫區(qū)域外，并選用耐低溫的石墨材料作為填充料，石墨材料一般問(wèn)柔性石墨。設(shè)計(jì)計(jì)算中取平均導(dǎo)熱率87W/（m·K），平均比熱容為510J/（kg·K），密度為1 530kg/m3。

1.2 瞬間傳熱分析

瞬態(tài)平衡表達(dá)如下：

實(shí)際傳熱中，材料特性參數(shù)、邊界條件等與溫度有一定相關(guān)性，因此瞬態(tài)熱平衡表達(dá)式如下：

1.2.1 ANSYS瞬態(tài)傳熱分析主要過(guò)程

建模：建模時(shí)首先需要定義材料屬性，對(duì)構(gòu)成材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱進(jìn)行科學(xué)定義。平均導(dǎo)熱率87W/（m·K），平均比熱容為510J/（kg·K），密度為1 530kg/m3。建模選取網(wǎng)格單元邊長(zhǎng)為0.001，并對(duì)不同面積定義材料屬性。

1.2.2 瞬態(tài)傳熱分析

使用POSTI對(duì)模型進(jìn)行后處理，將熱傳流系數(shù)設(shè)置為120W/（m3·K），并將冷卻溫度定義為-105℃。將熱傳流系數(shù)設(shè)置為120W/（m3·K），并將冷卻溫度定義為-105℃時(shí)，低溫閥在該環(huán)境中開(kāi)始降溫，由環(huán)境溫度降到低溫閥最高溫度-102.4℃共需耗時(shí)10 308s。保持其他條件不變，僅改變對(duì)流傳熱系數(shù)，蝶閥從由環(huán)境溫度降到低溫閥最高溫度-102.4℃所需時(shí)間隨對(duì)流傳熱系數(shù)關(guān)系。蝶閥從由環(huán)境溫度降到低溫閥最高溫度-102.4℃所需時(shí)間3次多項(xiàng)公式如下：

T（S）=-0.002 6h3+1.1h2-182.2h+20 250.6法蘭處受到螺栓應(yīng)力影響其應(yīng)力集中于閥體與閥頸部相連處，熱應(yīng)力最大值為0.17GPa，對(duì)比與閥體屈服強(qiáng)度1.24GPa相距較遠(yuǎn)，屬于彈性形變。

2 基于ANSYS的閥門阻力系數(shù)研究

2.1 研究模型

本文以閘閥為例進(jìn)行ANSYS軟件對(duì)閥門阻力系數(shù)研究。對(duì)閘閥進(jìn)行模型簡(jiǎn)化后只需建立帶有閘板的閘閥通道模型即可。設(shè)閘閥下端點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，在閘板開(kāi)度為500情況下其幾何模型見(jiàn)圖1。

圖1 閘板幾何模型

將閥門進(jìn)口速度與進(jìn)口壓強(qiáng)作為進(jìn)口邊界條件，設(shè)參考系為絕對(duì)參考系，此條件下給予閥門一定均勻流向流體作用，設(shè)其垂直于進(jìn)口面，流速為1、2、3、4、5m/s，進(jìn)口表面壓強(qiáng)為2kPa。流體在出口處為自由流方式，出口表面壓強(qiáng)為0.固壁質(zhì)點(diǎn)滿足無(wú)滑移，因此壁面速度為0。根據(jù)閘閥特點(diǎn)，對(duì)其采用k-ξ而方程湍流模型，通過(guò)ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行分析，ANSYS軟件中的FLOTRAN CFD可對(duì)閥門內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行科學(xué)模擬。

2.2 閘閥阻力系數(shù)計(jì)算

設(shè)定水溫條件為20℃，此條件下水密度為998.2kg/m3，黏度為100.5μpa.s.設(shè)閥門內(nèi)徑DN50時(shí)其開(kāi)度分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、75%、100%，流速為1、2、3、4、5m/s，模擬此條件下閘閥內(nèi)部節(jié)點(diǎn)壓力場(chǎng)。

根據(jù)流體力學(xué)可知，閥門阻力特性可定義為：Δp=ξρu2/2。Δp其中為閥門前有壓力差，ξ為阻力系數(shù)，u為橫截面處均速，ρ為密度。在此基礎(chǔ)可得到其最低靜壓值，從而計(jì)算出阻力系數(shù)。若其表面壓強(qiáng)為2kPa。隨著開(kāi)度不斷增加，其阻力系數(shù)減小，若保持開(kāi)度不變，則阻力系數(shù)隨進(jìn)口速度增大而減小。

選取管徑為（DN25、DN100、DN200）的閘閥進(jìn)行模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口速度為3m/s時(shí)，進(jìn)口壓強(qiáng)為2kPa。保持閥門內(nèi)徑不變，通過(guò)軟件分析繪制閘閥阻力系數(shù)-開(kāi)度變化曲線。保持閘閥內(nèi)徑不變，其阻力系數(shù)隨著閘閥開(kāi)度增加而減小。保持閘閥開(kāi)度不變，其阻力系數(shù)隨著閘閥內(nèi)徑增加而增大。

2.3 ANSYS模擬阻力系數(shù)研發(fā)設(shè)計(jì)結(jié)論

通過(guò)ANSYS模擬阻力系數(shù)，對(duì)閥門內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行有效分析，得出研發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中需注重阻力系數(shù)的設(shè)定，其影響因素包含開(kāi)度、進(jìn)口速度、管徑、流速等，得出接近實(shí)際的結(jié)果，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，確保設(shè)計(jì)科學(xué)性。

3 結(jié)束語(yǔ)

閥門在生活和工業(yè)中有重要應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)性能與其所在系統(tǒng)穩(wěn)定性及質(zhì)量息息相關(guān)。閥門研發(fā)設(shè)計(jì)需通過(guò)ANSYS軟件設(shè)定參數(shù)，驗(yàn)證閥門設(shè)計(jì)各細(xì)節(jié)部分，不斷進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，為閥門研發(fā)奠定理論基礎(chǔ)，提高閥門可靠性及穩(wěn)定性。

[1] 吳若菲.基于ANSYS的LNG船用超低溫閥門的數(shù)值模擬分析[J].低溫工程.2012，（1）：41-43.

[2] 鄒鑫。基于ANSYS的閘閥內(nèi)部流場(chǎng)模擬[J].化工裝備技.2014，（10）：36-43.

[3] 余曉明.基于ANSYS的低溫蝶閥模擬試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析[J].低溫工程.2015，（8）：23-27.

Application of ANSYS in Valve R & D

Lei Peng，Wang Xiao-feng，F(xiàn)eng Li-bin

The valve structure is more complicated.In the design process，ANSYS is the most convenient and effective software for the design of the valve.ANSYS can simulate the actual situation of the valve and carry out the effective exercise of the various structures. ANSYS is currently the most widely used valve simulation software，ANSYS in the valve R & D design application analysis，to provide a theoretical basis for valve research and development.

ANSYS；valve；R & D

TH134

A

1003-6490（2017）01-0172-02

2016-12-11

雷鵬（1982—），男，安徽桐城人，工程師，主要研究方為閥門設(shè)計(jì)。