研究截止閥啟閉過程中的阻力特性，建立閥門的相對開度與壓力損失之間的數(shù)學(xué)模型，并借助計算流體動力學(xué)軟件fluent，應(yīng)用動網(wǎng)格技術(shù)對閥門的內(nèi)部流場進(jìn)行動態(tài)數(shù)值模擬。結(jié)果表明：理論值與模擬值之間的相對誤差滿足精度要求，證明此數(shù)學(xué)模型在工程實用中的可行性，同時為截止閥及其他閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化提供理論參考。

　　閥門作為管路系統(tǒng)中的一個重要部件，同時也是產(chǎn)生能量損耗的主要元件，在設(shè)計過程中不應(yīng)只注重閥門的結(jié)構(gòu)型態(tài)而忽視其流態(tài)特性。當(dāng)流體通過閥道時產(chǎn)生諸如旋渦、水錘、死水區(qū)、二次流等水流現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是影響閥道局部壓力損失的主要因素。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)通過分析閥門通徑、流量系數(shù)、流速、阻力系數(shù)等參數(shù)之間的關(guān)系，對截止閥流道的流場特點和阻力特性進(jìn)行研究，得出其相對開度與壓力損失之間的函數(shù)關(guān)系，能夠更好地了解截止閥的能耗情況，同時為閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供有效的理論依據(jù)。

　　FLUENT的軟件設(shè)計基于CFD軟件群的思想，針對各種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，在特定領(lǐng)域內(nèi)使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達(dá)到最佳組合，從而高效率地解決各個領(lǐng)域復(fù)雜流動問題的計算。基于計算流體力學(xué)理論，利用該軟件對流體流經(jīng)不同開度截止閥時的流場進(jìn)行模擬，克服了閥門的幾何特征較復(fù)雜、很難掌握其內(nèi)部流態(tài)等特點，使研究結(jié)果可視、直觀化。

1、結(jié)構(gòu)模型

　　1.1、物理模型

　　圖1為J41H型截止閥，該閥的啟閉件是塞形的閥瓣，密封面呈平面或錐面，閥瓣沿閥座的中心線作直線運(yùn)動。閥體的公稱通徑為DN32，采用不銹鋼材料制成。根據(jù)其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，同時考慮到實際數(shù)值模擬的可行性，對模型進(jìn)行合理的簡化，繪制出用于CFD分析的二維模型，如圖2所示。

圖1 J41H型截止閥

圖2 截止閥模型

　　針對XYZ-100、XYZ-125稀油站系統(tǒng)，使用N150機(jī)械油作為流體介質(zhì)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB443-89查得：N150機(jī)械油密度為ρ=900kg/m3;運(yùn)動黏度為ν=1.5×10-4m2/s;

　　1.2、數(shù)學(xué)模型

　　1.2.1、開度與流量系數(shù)

　　在液壓油為不可壓縮液體時可將直通式截止閥的流量特性表示為：

結(jié)果分析

　　經(jīng)運(yùn)算，得到截止閥在不同流速、不同開度下的壓力、速度流場分布情況，限于篇幅，只給出流速為2.07m/s時的流場分布如圖4、5所示�？梢钥闯觯涸陂y門開度較小時，流體所受阻力較大，入口靜壓很大，而閥門右上側(cè)壓力較低，在閥瓣與壁面的微小縫隙中形成了一股高速射流;隨著閥瓣向上運(yùn)動，流速逐漸趨于穩(wěn)定，射流現(xiàn)象消失，能量損失也相應(yīng)減小。

圖4 流速為2.07m/s時不同開度下的總壓力分布云圖對比

圖5 流速為2.07m/s時不同開度下的速度分布云圖對比

　　從模擬結(jié)果可知：造成壓力損失的主要原因是閥道內(nèi)部產(chǎn)生旋渦、形成紊流的分離回流區(qū);其次是閥道出口的主流集中在管的上壁，該處流速分布不均勻、流速梯度大。當(dāng)閥門開度小于20%時流場比較復(fù)雜，能量損失較大;當(dāng)開度大于80%時，流態(tài)比較穩(wěn)定，壓力、速度梯度較小，能量損失也較小。閥門在啟閉過程中受力會發(fā)生較大變化，導(dǎo)致沖擊與振動，易引起閥體的變形與疲勞破壞，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)給予重視。將模擬計算得到的壓力損失與利用理論公式計算得到的壓力損失進(jìn)行對比，見表1。

表1 截止閥開度、過流速度及壓力損失關(guān)系表

　　可以看出：根據(jù)公式(20)求出的理論壓力損失值與試驗?zāi)�擬值已很接近，且最大相對誤差不超過6%。同時得到截止閥開度與阻力系數(shù)之間的關(guān)系曲線，見圖6，可以看出：隨著開度的不斷增大，截止閥的阻力系數(shù)不斷減小，當(dāng)開度較小時，截止閥的阻力系數(shù)非常大，流體流過時將產(chǎn)生很大的壓力損失。

圖6 截止閥開度與阻力系數(shù)的關(guān)系

　　經(jīng)分析，產(chǎn)生誤差的原因如下：

　　(1)由于截止閥實際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，文中在進(jìn)行物理建模時將截止閥結(jié)構(gòu)簡單化，因此數(shù)值模擬結(jié)果與理論計算結(jié)果之間存在一定的誤差。

　　(2)理論數(shù)學(xué)模型中的k0、k值不能準(zhǔn)確確定，只能靠手冊查取;流體的黏度、溫度、壓力等參數(shù)在相對開度變化時也會發(fā)生變化。

　　(3)該理論計算公式的推導(dǎo)排除了一切外在影響，包括流體間的相互擾動，以及流場間壓差的相互干擾等;而計算機(jī)數(shù)值模擬是通過有限元計算模擬了流體的真實流動，接近于實際運(yùn)動情況�；�于上述原因，誤差的存在是難以避免的。由于誤差在6%以內(nèi)，故認(rèn)為所提出的理論計算方法所得結(jié)果與模擬實驗結(jié)果基本吻合，表明所建數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確可行。

4、結(jié)論

　　(1)根據(jù)截止閥的流量特性，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出相對開度、流速、公稱通徑、壓力損失之間的數(shù)學(xué)模型，避開了通過研究截止閥內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)來分析閥門相對開度、流速、壓力損失之間的關(guān)系，從側(cè)面將復(fù)雜問題解決。

　　(2)采用CFD技術(shù)對截止閥二維模型內(nèi)部流場特性作數(shù)值模擬，得到各種參數(shù)的分布云圖和數(shù)據(jù)，同時運(yùn)用動網(wǎng)格技術(shù)更真實、連續(xù)地模擬出閥瓣啟閉過程中的液流流動情況，解決了穩(wěn)態(tài)分析不能求解的問題，在節(jié)約實驗成本的同時還得到了更為有效直觀的實驗結(jié)果。

　　(3)通過將數(shù)值模擬試驗得到的結(jié)果與理論計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)合實際工程應(yīng)用中的經(jīng)驗，證明此數(shù)學(xué)模型對截止閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化具有一定的參考意義。