運用CFD軟件對一種高壓截止閥進行了三維數(shù)值模擬，對截止閥不同的內(nèi)流道結(jié)構(gòu)進行流動分析。通過對典型的高壓截止閥結(jié)構(gòu)進行建模，借助CFD軟件分析了閥門內(nèi)部流場的流動特性，給出了優(yōu)化的內(nèi)流道結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果及產(chǎn)品設(shè)計的理論依據(jù)。

1、概述

　　截止閥的內(nèi)部流道形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體流動的狀況也較復(fù)雜。工程設(shè)計中截止閥的內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是參照一些設(shè)計手冊提供的經(jīng)驗公式和系數(shù)估計。而設(shè)計手冊上根據(jù)以往的實驗結(jié)果歸納得出的經(jīng)驗公式和系數(shù)一般并不能很準(zhǔn)確地符合具體的產(chǎn)品，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為這是阻礙閥門質(zhì)量提高的重要原因。由于閥門的幾何特性比較復(fù)雜，一般很難掌握其內(nèi)部流態(tài)，在設(shè)計中經(jīng)常忽視閥門的流態(tài)特性，從而引起較大的能耗。CFD數(shù)值模擬技術(shù)為準(zhǔn)確預(yù)測與分析閥門流動特性提供了一條有效的新途徑。它不受閥門形狀、尺寸和工質(zhì)限制，既能提供高精度的性能預(yù)測，又能顯示流場的詳細(xì)分布，而且比實驗測試所需的費用低、周期短。

2、截止閥的物理模型

　　2.1、流域結(jié)構(gòu)模型

　　高壓截止閥一般多采用鍛造閥體，流道則通過機加工完成。本文中所用計算模型的流域結(jié)構(gòu)及其主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

圖1 截止閥的流域結(jié)構(gòu)

　　2.2、基本假設(shè)及模型調(diào)整

　　為便于公式推導(dǎo)及數(shù)值計算，本文對擴散管內(nèi)部流動作如下假設(shè)，流體為連續(xù)、不可壓縮的理想流體，定常流動，擴散管入口流速均勻，流體與固壁之間無熱交換，忽略重力的影響，其他遵從流體力學(xué)一般假設(shè)。

3、數(shù)值建模及網(wǎng)格劃分

　　3.1、控制方程

　　本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進行數(shù)值模擬，其控制方程有連續(xù)性方程、動量守恒方程(N-S方程)和湍流脈動動能方程。

　　3.2、幾何建模與網(wǎng)格劃分

　　為保證流場流動充分，在高壓截止閥兩端均加有長度為5倍直徑的直管段。考慮流場的對稱性，為便于計算，取流場的一半按對稱計算。采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對高壓截止閥的流動區(qū)域進行網(wǎng)格劃分。利用CAD軟件建立幾何模型，模型結(jié)構(gòu)尺寸如表2所示。通過ACIS或IGES文件格式導(dǎo)入ICEMCFD或GAMBIT中進行網(wǎng)格劃分處理。

表2 截止閥模型尺寸

　　3.3、邊界條件

　　設(shè)定入口為速度入口條件，出口為自由出流，模型滿足對稱條件則采用對稱邊界，固壁采用無滑移邊界條件(表3)。

表3 邊界條件設(shè)置

4、CFD計算結(jié)果及分析

　　將劃分好的網(wǎng)格，設(shè)置好邊界類型，導(dǎo)出.msh網(wǎng)格文件輸入到FLUENT中進行計算。在計算迭代收斂后，將計算結(jié)果進行后處理，或?qū)С龅胶筇幚碥浖�中進行后處理。圖2為計算過程中的殘差收斂變化曲線監(jiān)視圖。

　　1.耗散率ε2.湍動能k3.Y向-速度4.X向-速度5.Z向-速度6.連續(xù)性(質(zhì)量流)

圖2 殘差收斂變化曲線

　　圖3所示為截止閥閥瓣開啟高度與其流量系數(shù)之間的關(guān)系曲線圖。隨著開啟高度的增大，流量系數(shù)呈遞增趨勢。當(dāng)開啟高度達到一定值(圖中橫坐標(biāo)1.0處)時，其流量系數(shù)值則不再增大，反而隨著開啟高度的繼續(xù)增大而減小。

圖3 截止閥流量系數(shù)與開啟高度的關(guān)系曲線

　　圖4所示為截止閥開啟高度與閥座直徑比為1.2時，其內(nèi)部流場局部流速矢量圖。從圖中可以看出，當(dāng)閥瓣開啟高度過高，對于底進上出的流向而言，閥瓣不能起到很好的導(dǎo)流作用，從而導(dǎo)致局部水力損失，影響了閥門整體性能。

圖4 開啟高度與閥座直徑比為1.2時的截止閥內(nèi)部流場局部流速矢量圖

　　圖5所示為截止閥閥瓣圓角大小與其流量系數(shù)之間的關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出圓角的存在可以提高截止閥的流量系數(shù)值，但圓角并不是越大越好，圓角越大反而不能起到較好的導(dǎo)流作用若以流量系數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)對象，則對應(yīng)閥瓣的圓角大小存在著一個最優(yōu)值。此外，從圖中可以看出閥瓣的圓角大小對流量系數(shù)的影響較小，在閥門的設(shè)計過程中可以作為次要因素考慮。

圖5 截止閥閥瓣圓角半徑與流量系數(shù)的變化關(guān)系

5、結(jié)語

　　通過對典型高壓截止閥結(jié)構(gòu)建模，并借助CFD軟件對其內(nèi)部流場的流動特性進行了分析。結(jié)果表明截止閥的流量系數(shù)隨著閥瓣的開啟高度先增大，達到一峰值后則出現(xiàn)下降趨勢。此外，截止閥的流量系數(shù)還隨著閥瓣圓角大小變化呈先增大后減小的變化趨勢，且得出閥瓣圓角大小對流量系數(shù)的影響較小。通過對截止閥內(nèi)部流場的CFD分析，可以對截止閥內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，提供足夠理論依據(jù)指導(dǎo)截止閥的優(yōu)化設(shè)計，為降低工業(yè)系統(tǒng)中的能耗，提供理論基礎(chǔ)。