□ 馮 明

神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西榆林 719300

1 研究背景

軸流式止回閥流道采用文丘里結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),與其它類型止回閥相比,具有開關(guān)響應(yīng)迅速、流阻小、壓降小、水錘小等優(yōu)異性能,廣泛應(yīng)用于煉油、煉化及長(zhǎng)輸管線系統(tǒng)。筆者應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對(duì)軸流式止回閥進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)不同開度進(jìn)行分析,研究軸流式止回閥開啟時(shí)內(nèi)部流場(chǎng)變化,為閥門的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。

2 結(jié)構(gòu)

軸流式止回閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由閥座、閥芯、彈簧、導(dǎo)流罩、閥體等組成。

3 模型

根據(jù)軸流式止回閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在保證準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上對(duì)軸流式止回閥模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化模型需遵循以下原則:不改變模型的基本特征,簡(jiǎn)化后模型質(zhì)量和網(wǎng)格質(zhì)量有明顯提高。

應(yīng)用SolidWorks軟件建模,并進(jìn)行簡(jiǎn)化,軸流式止回閥模型如圖2所示。

4 流阻因數(shù)

流阻因數(shù)是一個(gè)無量綱量,屬于閥門的固有屬性,表征閥門對(duì)流動(dòng)介質(zhì)的阻力。流阻因數(shù)越大,表示閥門對(duì)流動(dòng)介質(zhì)的阻力越大,能量損失也越大。流阻因數(shù)ξ為:

(1)

式中:Δp為閥門前后壓差;ρ為閥門內(nèi)介質(zhì)密度;v為管道內(nèi)介質(zhì)平均流速。

5 網(wǎng)格劃分

軸流式止回閥流動(dòng)空間具有對(duì)稱性,為了減小計(jì)算量,選取1/2流道作為計(jì)算域。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),在軸流式止回閥進(jìn)口端面設(shè)置5倍閥門公稱直徑長(zhǎng)度的管道,在出口端面設(shè)置10倍閥門公稱直徑長(zhǎng)度的管道。

采用不同尺寸對(duì)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分,軸流式止回閥全開時(shí)計(jì)算域網(wǎng)格如圖3所示,共有1 148 131個(gè)單元。

6 數(shù)值模擬

應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型,介質(zhì)為水,密度為998.2 kg/m3,動(dòng)力黏度為0.001 003 Pa·s。采用穩(wěn)態(tài)壓力基求解器,選用Simple算法,邊界條件選擇速度進(jìn)口和壓力出口。

選取軸流式止回閥10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和全開十個(gè)不同開度進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析,得到不同開度下軸流式止回閥內(nèi)部壓力、速度分布情況。開度20%、50%和全開時(shí)的軸流式止回閥內(nèi)部壓力、速度分布如圖4～圖9所示。

由圖4可以看出,在20%開度時(shí),軸流式止回閥閥瓣前后區(qū)域分別為高壓區(qū)和低壓區(qū)。由圖5可以看出,在20%開度時(shí),軸流式止回閥密封面處流通面積最小,流速達(dá)到最大,在A、B位置產(chǎn)生渦流。由圖6、圖7可以看出,50%開度與20%開度相比,軸流式止回閥密封面處流通面積較大,附近壓力變化較為平緩,流過密封面的速度相對(duì)較小,在A、B位置渦流強(qiáng)度較低。由圖8、圖9可以看出,軸流式止回閥內(nèi)部壓力呈現(xiàn)對(duì)稱分布,閥瓣前端區(qū)域形成局部高壓,壓力變化平緩,內(nèi)部介質(zhì)流動(dòng)順暢,沒有渦流阻礙介質(zhì)正常流動(dòng),流體阻力達(dá)到最小。

數(shù)值模擬得到的不同流速下軸流式止回閥進(jìn)出口壓差與流阻因數(shù)見表1。由表1可知,隨著流速的增大,軸流式止回閥進(jìn)出口壓差增大,流阻因數(shù)變化則很小。原因是軸流式止回閥的流阻因數(shù)只與內(nèi)部結(jié)構(gòu)、開度有關(guān),開度不變時(shí),流阻因數(shù)為恒定值。

表1 軸流式止回閥進(jìn)出口壓差與流阻因數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,判斷數(shù)值模擬在軸流式止回閥分析中的適用性,進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖10所示,包括水循環(huán)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、管道、數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)、穩(wěn)壓裝置、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。按照GB/T 30832—2014《閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》要求,將壓力和流量的采集點(diǎn)分別設(shè)置在軸流式止回閥前5倍閥門直徑長(zhǎng)度的管道位置和軸流式止回閥后10倍閥門直徑長(zhǎng)度的管道位置,以保證管道壓力的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的可靠性。試驗(yàn)實(shí)物如圖11所示。

通過試驗(yàn),得到不同流速下軸流式止回閥進(jìn)出口壓差與流阻因數(shù),見表2。

8 結(jié)果對(duì)比

由表1、表2繪制軸流式止回閥進(jìn)出口壓差與流阻因數(shù)變化曲線,分別如圖12、圖13所示。

表2 軸流式止回閥進(jìn)出口壓差與流阻因數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

從圖12和圖13 可以看出,當(dāng)流速大于2 m/s時(shí),軸流式止回閥進(jìn)出口壓差、流阻因數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果很接近,流阻因數(shù)不隨流速的增大而改變,基本保持不變。軸流式止回閥進(jìn)出口壓差隨流速的增大而增大,進(jìn)出口壓差和流速呈現(xiàn)二次曲線變化。流速小于2 m/s時(shí),試驗(yàn)結(jié)果比數(shù)值模擬結(jié)果大,這是因?yàn)閿?shù)值模擬時(shí)選用軸流式止回閥全開狀態(tài),流道不會(huì)發(fā)生改變,而試驗(yàn)時(shí)軸流式止回閥開度會(huì)隨流速變化而變化,當(dāng)流速小于2 m/s時(shí),軸流式止回閥并未達(dá)到全開狀態(tài)。軸流式止回閥進(jìn)出口壓差數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差見表3。

表3 軸流式止回閥進(jìn)出口壓差數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差

流速大于2 m/s時(shí),軸流式止回閥流阻因數(shù)試驗(yàn)結(jié)果平均值為1.7,數(shù)值模擬結(jié)果平均值為1.633,兩者的誤差為3.94%。由此可見,數(shù)值模擬可以有效且準(zhǔn)確地分析軸流式止回閥的流場(chǎng)特性,能夠?yàn)殚y門的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。