張紅瑞，徐小兵，戴 明，李思維

(長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州 434000)

1 概述

止回閥是一種自動閥門，其主要作用就是防止介質(zhì)倒流，從而防止泵及驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)。隨著核電技術(shù)的日益成熟，升降式止回閥也得到廣泛使用[1]。升降式止回閥的流阻系數(shù)越大，能量耗損越嚴重，是人們關(guān)注的焦點。合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計能夠降低流阻[2]，減少介質(zhì)在管路中的能量損耗，并保證整體管路的安全性。本文根據(jù)流體動力學(xué)原理，應(yīng)用CFD軟件模擬分析包括介質(zhì)流速、出入口直徑、閥腔錐度和閥腔直徑等因素對升降式止回閥流阻系數(shù)的影響，為分析升降式止回閥止回性能和提高升降式止回閥的設(shè)計水平提供參考。

2 結(jié)構(gòu)原理

升降式止回閥主要由閥體、閥瓣、導(dǎo)向座和閥蓋組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。止回閥是一種單向控閥門，升降式止回閥工作原理：當(dāng)流體作用力大于彈簧彈力及閥瓣重力之和時，閥瓣上升，閥門開啟；反之，閥瓣下降，閥門關(guān)閉，阻斷介質(zhì)倒流。

圖1 升降式止回閥結(jié)構(gòu)圖

3 閥內(nèi)流場模型建立

3.1 流阻計算

根據(jù)閥門設(shè)計手冊[3]，可以得到對于湍流流態(tài)的液體，其壓力損失：

其中：Δp—被測閥門的壓力損失(MPa)；ζ—閥門的流阻系數(shù)；u—流體在管道中的平均流速(mm/s)；ρ—流體密度(kg/mm3)。

從以上公式可以得到流阻系數(shù)的計算公式為[4]：

3.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

針對DN28升降式止回閥在其全開狀態(tài)下進行穩(wěn)態(tài)模擬，采用CFD軟件模擬止回閥出入口的壓力損失，計算出閥內(nèi)的流阻系數(shù)。對于升降式止回閥而言，因其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性，對流道采用四面體網(wǎng)格進行劃分，對閥瓣等關(guān)鍵部位進行局部細化。模擬介質(zhì)為液態(tài)水，其動力粘度為1.01×10-3kg/m·s，為了保證介質(zhì)在閥門管道流動的平穩(wěn)性，在出入口各延長5倍管徑長度，得到其網(wǎng)格圖如圖2所示。采用Realizablek-ε湍流模型，邊界條件設(shè)置為速度入口，壓力出口，其余保持默認，從而計算出止回閥出入口的壓力。

圖2 流道網(wǎng)格圖

4 閥內(nèi)流場模擬分析

影響止回閥流阻系數(shù)的因素有很多，本研究從介質(zhì)流速[5]、進出口直徑以及中閥腔的直徑和錐度等方面，對流阻系數(shù)的影響進行模擬分析。

4.1 流速對流阻系數(shù)的影響

根據(jù)現(xiàn)場的使用情況，擬采用3 m/s、4 m/s、5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s的介質(zhì)流速來模擬計算出不同流速下的進出口壓降，從而計算出流阻系數(shù)與介質(zhì)流速的關(guān)系。經(jīng)過模擬計算得到不同流速下的壓力損失以及流阻系數(shù)，如表1所示。

表1 不同流速下的壓降與流阻系數(shù)

由表1可以得到不同介質(zhì)流速下，壓降變化很大，但流阻系數(shù)的變化并不明顯，最大誤差為5.6%，由此可以得出流速大小基本不影響流阻系數(shù)。

4.2 閥門入口直徑對流阻系數(shù)的影響

閥門出入口直徑大小能夠直接影響閥門壓降，由于流速并不能直接影響流阻系數(shù)，所以采用介質(zhì)流速為6 m/s對26 mm、27 mm、28 mm、29 mm入口直徑的止回閥進行模擬，其他尺寸保持不變，模擬不同入口直徑對流阻系數(shù)的影響。

從圖3中可以清晰看到，水流高速區(qū)在中閥腔上端部位，其原因是介質(zhì)在水平管道流動，經(jīng)過垂直管壁碰撞后水流向上涌動，從而在此處形成水流高速區(qū)域，隨著入口直徑的增大，最高流速由11 m/s增大至13.6 m/s，水流高速區(qū)向閥腔右端出口處轉(zhuǎn)移。由圖4可以看到，在垂直管壁處壓力明顯變大，在出口直徑一定時，隨著入口直徑增大，出入口間的壓差也隨之增大，從而流阻也增大。模擬結(jié)果如表2所示，入口直徑從26 mm增大至29 mm，流阻系數(shù)由3.9350增大至5.7712，流阻系數(shù)增大了46.7%，由此可見，閥門設(shè)計過程中，在滿足整體閥門性能的情況下，應(yīng)選擇較小的入口直徑。

圖3 不同入口直徑下的速度云圖

圖4 不同入口直徑下的壓力云圖

表2 不同入口直徑下的壓降與流阻系數(shù)

4.3 出口直徑對流阻系數(shù)的影響

通常設(shè)計中閥門進出口管道直徑相同，本模擬是以DN28升降式止回閥為模型，即出入口直徑為28 mm，采用26 mm、27 mm、28 mm和29 mm的出口直徑通過CFD方法模擬計算升降式止回閥進出口壓強，計算出進出口壓降，再根據(jù)流阻計算公式得出流阻系數(shù)。

介質(zhì)從入口進入后，在中腔垂直管壁處碰撞，向著出口處運動，此處會形成弧線水流，而水流高速區(qū)域就在此弧線區(qū)域。從圖5可以看出，隨著出口直徑的增大，閥內(nèi)最大流速從13.37 m/s降低至11.39 m/s，介質(zhì)流速的降低可以減輕介質(zhì)對出口端傾斜管道的沖擊效果，使流動更加穩(wěn)定。由圖6可以看出，較大的出口直徑，其閥內(nèi)壓力分布相對均勻，由于介質(zhì)流入閥內(nèi)時會沖擊止回閥垂直的中腔壁面，所以在中腔右壁面處壓力相對較大，介質(zhì)撞擊壁面后向著低壓區(qū)域運動，在出口端傾斜管道與水平管壁的交界處會形成漩渦，出現(xiàn)負壓區(qū)，造成能量的損失，隨著出口直徑的增大，最大負壓也隨之降低。

圖5 不同出口直徑下的速度云圖

圖6 不同出口直徑下的壓力云圖

從表6可見，出口直徑由26 mm增大至29 mm，壓降從103118.65 Pa降低至80085.99 Pa，流阻系數(shù)從5.7391降低至4.4572，流阻系數(shù)降低了22.34%，在設(shè)計止回閥結(jié)構(gòu)尺寸時，較大的出口直徑能夠降低流阻系數(shù)，從而保證較小的出入口壓降，減少能量的損失。

表3 不同出口直徑下的壓降與流阻系數(shù)

4.4 不同中腔下端直徑對流阻系數(shù)的影響

介質(zhì)以恒定速度流入閥道，在中腔處向上涌動并流向出口，在此過程中，介質(zhì)會碰撞中腔各個壁面，并且需要克服介質(zhì)自身重力作用向上涌動，因此，在中腔處的流場更為復(fù)雜。結(jié)合實際閥體尺寸，選取29 mm、30 mm、31 mm和32 mm的中腔下端直徑來探討中腔下端直徑對流阻系數(shù)的影響。

水流從止回閥進口端流入，在初次碰撞到中腔壁面時水流一部分會折回，一部分靠慣性向上涌動，向著出口端流去，當(dāng)水流高度與閥門出口端平齊時，大部分水流向出口端流去，小部分靠著慣性向閥門中腔右上部涌去，逐漸充滿整個閥腔，同時由于水流自身重力原因，會向著閥門中腔左上部流動，直至介質(zhì)充滿整個閥腔，介質(zhì)速度矢量云圖如圖7所示，中腔左上部水流有回流趨勢，并隨著水流整體流動趨勢向出口端流去，在出口端最左側(cè)有一小部分水流在此處形成漩渦，并最終隨著水流向出口流去。隨著中腔下端直徑的增大，最高流速隨之減小，水流對閥壁的沖蝕降低。閥內(nèi)壓力云圖如圖8所示，進出口壓降明顯降低，出口端的漩渦也逐漸減小，水流更加平穩(wěn)，能耗降低。

圖7 不同中腔下端直徑下的速度矢量云圖

圖8 不同中腔下端直徑下的壓力云圖

由表4可以看到，中腔下端直徑由29 mm增加至32 mm，壓降由93540.84 Pa降低至86088.80 Pa，流阻系數(shù)由5.2061降低至4.7913，降低了7.96%，與進出口直徑相比，中腔下端直徑對流阻系數(shù)的影響相對較小，但是選取較大的中腔直徑有利于降低進出口壓降，減少能量損耗。

表4 不同中腔下端直徑下的壓降與流阻系數(shù)

4.5 中腔上端錐度對流阻系數(shù)的影響

由以上模擬可以得知介質(zhì)在閥門中腔上部會形成弧線水流，并在此處為水流急速區(qū)域，閥道上腔處的錐形區(qū)域會影響水流的弧線曲率，因此分別采用35°、40°、45°和50°下的中腔上端錐度來模擬分析對流阻系數(shù)的影響。

從圖9可以得到，不同角度下的中腔上端錐度對止回閥閥體內(nèi)部最大流速影響不大，平均分布在12 m/s左右，但隨著角度的增大，高速水流區(qū)域也逐漸增大，對出口端斜管內(nèi)壁的沖擊面積增大。從圖10能夠看出，隨著角度的增大，閥體內(nèi)部的最大壓力也稍微增大，對進出口的壓降有一定影響，并且在出口端處漩渦現(xiàn)象更加嚴重，漩渦面積增大，增加了閥體內(nèi)部的能耗。

圖9 不同中腔上端錐度下的速度云圖

圖10 不同中腔錐度下的壓力云圖

表5 不同中腔上端錐度下的壓降與流阻系數(shù)

不同角度下的中腔上端錐度對進出口壓降影響較小，但還是隨著角度增加呈現(xiàn)上升趨勢。角度從35°增加至50°，流阻從4.8930增大至5.1189，增大了4.62%，雖沒有進出口直徑以及中腔下端直徑對流阻系數(shù)的影響大，但是選取較小的角度有利于減小水流急速區(qū)域，減小漩渦區(qū)域面積，降低閥體內(nèi)部能耗，具有一定意義。

5 結(jié)論

1)隨著介質(zhì)流速的增大，升降式止回閥進出口壓降顯著增大，流阻系數(shù)卻基本不變，因此流速大小基本不影響流阻系數(shù)。

2)通過模擬發(fā)現(xiàn)，較小的進口直徑和較大的出口直徑能夠降低進出口間的壓降，降低流阻系數(shù)。中腔下端直徑與上端錐度對流阻系數(shù)的影響相對較小，較大的中腔下端直徑和較小的上端錐度能略微降低進出口壓降，但能顯著減小閥體內(nèi)部漩渦區(qū)域，使水流更加平穩(wěn)，能耗降低。

3)綜合以上分析，介質(zhì)流速對流阻系數(shù)基本沒有影響，入口直徑與出口直徑對流阻系數(shù)的影響較大，中腔下端直徑與中腔上端錐度對流阻系數(shù)的影響較小，其中，入口直徑對流阻系數(shù)的影響最大，中腔上端錐度對流阻系數(shù)的影響最小。