周世豪 劉興玉 丁強(qiáng)偉 余 巍

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所)

船用法蘭截止閥低流阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對比研究

周世豪 劉興玉 丁強(qiáng)偉 余 巍

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所)

運(yùn)用數(shù)值模擬仿真實(shí)驗(yàn)的方法對船用法蘭截止閥的應(yīng)力場和流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，根據(jù)可視化結(jié)果分析了影響截止閥內(nèi)流體流動(dòng)特性的原因，依據(jù)GB/T 30832-2014和仿真結(jié)果進(jìn)行了流量系數(shù)和流阻系數(shù)的計(jì)算；對船用法蘭截止閥進(jìn)行了低流阻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對比了優(yōu)化前后截止閥的流阻、強(qiáng)度等特性。

船用法蘭截止閥 低流阻 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 數(shù)值模擬

船用法蘭截止閥耐腐蝕性能優(yōu)異，能抵抗多種腐蝕性介質(zhì)的侵蝕，具有安全、可靠及壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于船舶海水管系來實(shí)現(xiàn)接通和截?cái)嗪Ｋ苈分械慕橘|(zhì)[1]。船用法蘭截止閥主要有直通式和直角式兩種結(jié)構(gòu)型式，包含手操和電液操縱兩種驅(qū)動(dòng)方式。為提高閥門的減阻降噪能力，筆者在對截止閥應(yīng)力場、內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，對截止閥閥瓣等部位進(jìn)行低流阻優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過模擬計(jì)算的方法進(jìn)行了驗(yàn)證，為船用法蘭截止閥的設(shè)計(jì)與研究提供參考。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

船用法蘭截止閥(圖1)主要由閥體、壓板、密封圈、閥瓣、閥桿、閥蓋、指示器及手輪等部件組成，口徑為DN125mm。閥體采用鈦合金鑄件，閥桿、閥瓣等關(guān)鍵部件采用鈦合金鍛件，各部件采用特殊的表面處理工藝，以提高其硬度和耐磨性[2]。閥門在設(shè)計(jì)中采用了軟硬結(jié)合的密封型式，既保留了軟密封結(jié)構(gòu)的密封性能好、啟閉力矩小的優(yōu)點(diǎn)，又具備了硬密封結(jié)構(gòu)的使用壽命長的特點(diǎn)。

圖1 船用法蘭截止閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真計(jì)算過程

2.1 船用法蘭截止閥建模

利用Pro/E軟件對截止閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維實(shí)體建模，如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，利用實(shí)體填充方法對截止閥內(nèi)部流場進(jìn)行反向建模，截止閥內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中對進(jìn)、出口流道進(jìn)行了適當(dāng)?shù)难娱L。

圖2 截止閥三維模型

圖3 截止閥流道三維模型

2.2 計(jì)算網(wǎng)格劃分

采用ANSYS軟件對截止閥應(yīng)力場進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算域?yàn)檎麄€(gè)截止閥裝配體，為了便于計(jì)算，網(wǎng)格采用四面體單元，最終獲得網(wǎng)格如圖4所示。鈦合金材料的性能參數(shù)見表1[3]。

圖4 截止閥結(jié)構(gòu)網(wǎng)格表1 材料性能參數(shù)

材料密度ρkg·m-3泊松比δ彈性模量EGPa抗拉強(qiáng)度RbMPa屈服強(qiáng)度RP0．2MPa鑄件45000．34110670590鍛件45000．38110880785

截止閥內(nèi)部流道模型網(wǎng)格由ICEM CFD軟件劃分生成。由于閥內(nèi)腔形狀和流動(dòng)狀態(tài)十分復(fù)雜，網(wǎng)格劃分為四面體/混合網(wǎng)格形狀。為了使計(jì)算結(jié)果更加精確，對流動(dòng)變化劇烈的區(qū)域(如內(nèi)部流道拐彎處、閥芯流道等)進(jìn)行加密處理，得到船用截止閥內(nèi)部流道模型網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 流道模型網(wǎng)格

3 數(shù)值模擬計(jì)算與結(jié)果分析

船用法蘭截止閥應(yīng)力場計(jì)算邊界條件為：進(jìn)口端施加固定約束，出口端施加位移約束。截止閥閥體在全開狀態(tài)下的受載情況為：閥門內(nèi)腔所受壓力為5.0MPa，不考慮重力因素的影響。

對截止閥的流道模型在Fluent中進(jìn)行模擬求解。截止閥流場計(jì)算邊界條件為：介質(zhì)為海水，流體流動(dòng)狀態(tài)為湍流，流體密度1 025kg/m3，動(dòng)力粘度1.054mPa·s。截止閥入口設(shè)為速度入口，速度為3.5m/s，方向沿進(jìn)口平面法線方向，水力直徑125mm。入流湍流強(qiáng)度為5%(充分發(fā)展的湍流)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ξ湍流模型[4]。出口邊界條件為：自由出流，流體與壁面接觸的邊界為靜止壁面，參考壓強(qiáng)為大氣壓。參考壓強(qiáng)位置設(shè)置在模型外的點(diǎn)(1000，0，0)mm處。

3.1 應(yīng)力場分析

通過計(jì)算得到截止閥內(nèi)部應(yīng)力與變形分布如圖6、7所示?？梢钥闯觯畲髴?yīng)力為139.47MPa，出現(xiàn)在閥體尖角部位，屬于局部應(yīng)力集中；閥體中法蘭頸部應(yīng)力為126.07MPa，小于4倍的屈服應(yīng)力；閥瓣處最大應(yīng)力為33.273MPa。截止閥手輪處最大變形為0.277 96mm，閥瓣處的最大變形為0.203 58mm。

圖6 截止閥應(yīng)力分布

圖7 截止閥變形分布

3.2 流場分析

通過求解得到的閥內(nèi)流體壓力場、速度場分布情況如圖8、9所示。由圖8可知，進(jìn)、出口壓力分布相對均勻，截止閥閥瓣流道處呈現(xiàn)出明顯的節(jié)流趨勢，壓力變化較大。中間閥瓣流道由于受到節(jié)流作用影響，壓力分布不均，有負(fù)壓區(qū)域存在。隨著流道的延伸，閥門出口壓力逐漸趨于平緩，流動(dòng)逐漸穩(wěn)定，但在閥出口邊界處存在明顯的高壓區(qū)。由圖9可知，速度分布與壓力分布呈現(xiàn)較高的一致性，進(jìn)口端速度分布比較均勻，中間流道和出口端因受閥瓣節(jié)流效應(yīng)和流道結(jié)構(gòu)影響而導(dǎo)致速度分布不均勻。閥門進(jìn)、出口端流速由外向內(nèi)逐漸上升，在最內(nèi)側(cè)流道速度較大。

圖8 y=0mm截面壓力分布

圖9 y=0mm截面速度分布

3.3 流阻特性研究

為了分析船用法蘭截止閥的通流阻力特性，根據(jù)GB/T 30832-2014中對閥門流量系數(shù)Kv的規(guī)定[5]：

(1)

式中G——實(shí)驗(yàn)流體與水的比重；

Δp——閥兩端的靜壓損失，kPa；

Q——體積流量，m3/h。

通過模擬計(jì)算得到閥門進(jìn)口流速為3.5m/s，出口為自由出流的條件下截止閥全開時(shí)的流量為158.21m3/h。代入式(1)可得船用法蘭截止閥的額定Kv為268。

流體流過閥門時(shí)產(chǎn)生的能量損失通常用閥前后的壓差來表示。如果閥門前后的管道直徑一致、流速相同，則由實(shí)際流體伯努利方程可知，不可壓縮流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥的能量損失hf為[6]：

(2)

式中g(shù)——重力加速度， m/s2；

p1、p2——入口、出口壓力，kPa。

同樣，能量損失可用閥門的流阻系數(shù)與平均速度壓頭的乘積來表示，即：

(3)

其中，ζ為閥門的流阻系數(shù)，與閥門結(jié)構(gòu)形式、開度和流體的性質(zhì)有關(guān)。

平均流速v為：

(4)

其中，A為閥流通面積。結(jié)合式(2)～(4)可得閥門的流量方程為：

(5)

根據(jù)流阻系數(shù)的試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，模擬得到截止閥全開時(shí)的流量為0.043 947m3/s，在閥流通面積為0.012 265m2的條件下，由式(5)可得：

(6)

4 低流阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

為進(jìn)一步減小截止閥的流阻系數(shù)，在原設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對截止閥閥瓣底部進(jìn)行流線型設(shè)計(jì)，由原來的平面變成圓弧型，如圖10所示。

圖10 閥瓣低流阻設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對比1——閥桿； 2——閥瓣蓋；3——墊塊； 4——閥瓣；5——密封圈； 6——壓蓋；7——螺栓

另外，根據(jù)應(yīng)力和流場模擬計(jì)算結(jié)果，對截止閥的閥座、閥瓣等部位進(jìn)行倒圓角處理，以消除局部應(yīng)力集中，提升流道口的流通能力。

4.2 優(yōu)化前后對比分析

根據(jù)原邊界條件，通過數(shù)值模擬得到的優(yōu)化后截止閥閥瓣應(yīng)力場、變形結(jié)果如圖11所示。優(yōu)化前后閥瓣分析結(jié)果對比見表2。比較原始模型，在質(zhì)量增加0.35kg的情況下，最大變形減小了28.1%，最大Von Misses應(yīng)力減小了18.03%。改進(jìn)后模型的結(jié)構(gòu)剛性有所提高且改進(jìn)效果明顯。

圖11 優(yōu)化后閥瓣的應(yīng)力、變形分布

表2 優(yōu)化前后閥瓣分析結(jié)果對比

由圖12可知，優(yōu)化后截止閥內(nèi)部流場的壓力、速度分布情況與優(yōu)化前基本相似，但速度最大值有一定的變化。閥瓣底部的流線型設(shè)計(jì)避免了閥座底部出現(xiàn)高壓區(qū)，使該區(qū)域的流動(dòng)更加均勻、一致，對閥瓣節(jié)流部分的流通阻力有一定的減小作用[7]。由表3可知，優(yōu)化后船用法蘭截止閥的流阻系數(shù)由5.421減小到4.926，減小了7.1%，閥門的流通特性得到了提升。

圖12 y=0mm截面壓力、速度分布

表3 優(yōu)化前后流場計(jì)算結(jié)果對比

5 結(jié)論

5.1 運(yùn)用數(shù)值模擬仿真實(shí)驗(yàn)的方法對船用法蘭截止閥的應(yīng)力場、流場進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算和分析研究。結(jié)果表明，進(jìn)、出口壓力分布相對均勻，截止閥閥瓣流道處呈現(xiàn)出明顯的節(jié)流趨勢，壓力變化較大，中間流道與出口端因受閥瓣節(jié)流效應(yīng)和流道結(jié)構(gòu)影響速度分布不均勻。截止閥的最大應(yīng)力出現(xiàn)在閥體尖角部位，屬于局部應(yīng)力集中，閥體中法蘭頸部應(yīng)力值為126.07MPa，滿足強(qiáng)度要求。依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和模擬結(jié)果，計(jì)算出了船用法蘭截止閥流阻系數(shù)為5.421。

5.2 通過對截止閥閥瓣等進(jìn)行低流阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使閥瓣處最大變形減小了28.1%，最大Von Misses應(yīng)力減小了18.03%。閥門的流阻系數(shù)減小了7.1%，截止閥的流通能力得到了較大提升。

5.3 通過在設(shè)計(jì)過程中引入仿真模擬實(shí)驗(yàn)，能夠比較精確地模擬計(jì)算截止閥的應(yīng)力分布、流通能力、流阻大小及內(nèi)部流動(dòng)狀況等特性，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，提高了研發(fā)效率，為船用法蘭截止閥的設(shè)計(jì)改進(jìn)與研究提供了一種新思路。

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DesignandComparativeStudyofLowFlowResistanceStructureforMarineFlangeGlobeValve

ZHOU Shi-hao, LIU Xing-yu, DING Qiang-wei,YU Wei
(CSICLuoyangShipMaterialsResearchInstitute)

Having numerical simulation experiment adopted to simulate and analyze both stress and flow fields of the marine flange globe valve was implemented, including having visualization result based to analyze the factors which influencing fluid’s flow characteristics in the globe valve, and both GB/T 30832-2014 Standard and simulation results based to calculate the valve’s flow coefficient and flow resistance coefficient, as well as the valve’s low flow resistance structure designed and optimized and its flow resistance and strength before and after the optimization comparativly compared.

marine flange globe valve, low flow resistance, structure design and optimization, numerical simulation

周世豪(1989-)，工程師，從事特種金屬閥門的設(shè)計(jì)研發(fā)工作，zhoushihao1949@163.com。

TQ051.8+1

A

0254-6094(2017)03-0340-05

2016-06-21)