基于fluen逆止閥流場三維數值模擬

逆止閥的設計及制造電力生產是中國的主要供電方式。逆止閥以其造價低、安裝快的特點,一直被廣泛應用于熱電回熱抽汽系統或其他系統的蒸汽、水等介質管道上,確保在給水加熱器或其前的抽汽管道內的流體不發生倒流,避免機械設備損壞。在設計及制造逆止閥時,工程人員主要通過改進結構設計的方法以減小流阻損失。逆止閥的流阻損失與其腔體幾何形狀有關,但更主要的是取決于閥瓣、閥座的結構。因此研究逆止閥結構參數具有非常重要的意義。基于以上原因,必須對逆止閥內部流場進行深入研究,以作為其減小流動阻力、提高安全性、減小震動、降低噪聲、結構優化等方面的參考。1模擬對象和相關配置1.1反向停止結構逆止閥結構如圖1所示。它主要由閥體、閥瓣、搖臂、閥蓋、閥座等組成。1.2逆止閥模型建立由于逆止閥長期在全開狀態下工作,全開狀態下的性能參數決定了逆止閥的性能,所以重點分析閥瓣全開情況下逆止閥各參數的變化情況實為必要。本文以圖1所示DN220逆止閥為研究對象,其中閥座角度為α、閥瓣角度為β。利用CATIA軟件對DN220逆止閥以閥瓣達到最大開度為前提,閥座角度為變量進行三維建模。為保證進、出口流場的穩定性,在計算過程中分別對逆止閥進、出口添加了等直徑的管道,長度均為1000mm。經過對模型的幾何分析,可得出其閥瓣可開啟最大角度(如表1),并分別建立了9組模型。如圖1(a)所示,逆止閥以YZ平面對稱,為了減少網格數量,節約計算資源,沿YZ平面取一半結構進行計算。文中模擬應用Hyperworks軟件生成六面體網格,計算過程中網格的單元總數在120萬左右。逆止閥三維模型及網格模型示意圖見圖2。1.3無速度滑移與無介質質量滲透的逆止閥壁面規定進口邊界條件為速度進口限定條件,給定管道進口速度為32.88m/s。出口邊界條件為壓力出口限定條件,給定出口壓力為1.7422MPa。逆止閥壁面采用無速度滑移和無介質質量滲透邊界條件,即假定相對于固體壁面的流體切向分速度和法向分速度均為零。選取451.7°C蒸汽作為流動介質,其密度為5.307kg/m3,動力粘度為26.59′10-6kg·s-1/m。假定介質為粘性牛頓流體,不考慮重力的影響,逆止閥與周圍環境沒有熱交換,壓力耗散成熱量的發生也只在逆止閥內部。2數值模擬結果的分析2.1逆止閥回復突變分析為了便于分析,對逆止閥進行區域分割討論流體流動趨勢,具體劃分見圖3。流體沿入口方向進入逆止閥。以閥座角度為5°、閥瓣可開啟最大角度為55°模型為例。從圖4可以看出,在入口處閥腔內速度矢量線基本平行,說明此時流動較穩定。當流體進入收縮段后,流速逐漸增大,如圖5,在流經閥瓣位置時,流體分為幾部分經過閥瓣后流出。來流中間區域的流體直接沖擊閥瓣,閥瓣迎流面處流體速度下降,此時流體質點流動方向發生變化,形成局部回流現象,此后又與來流混合再次流經閥瓣,最終以繞流形式經過閥瓣,此過程延長了流程,造成了能量損失;部分流體繞流到閥瓣背面和側面,直接進入出口段;向下繞過閥瓣的流體進入畸變流道D區,由于閥體特殊的幾何特性,D區下壁面處出現弧形結構,迎流面即形成順壓梯度區。順壓梯度區流道截面積漸減,外部勢流流速增加,壓力降低。流道壁面幾何結構的曲率越大,則外部勢流壓力越低,流體速度越大。所以在靠近閥腔右下的畸變流道內,流體速度達到最大,如圖5。流體流向出口時,一般都要在上閥腔內回旋才能進入出口流道,也就是在上閥腔內發生回旋運動。A區部分流體進入上閥腔體,并在上閥腔內盤旋進入E區后流向出口段。上閥腔體流體速度較低,頂端速度幾乎為零,見圖6。速度值較大的矢量線處于閥腔的中間位置,有利于減輕流體對閥體的沖蝕。隨著畸變流道內流體與上閥腔回旋流體相匯合,流體逐漸進入出口段。由圖3可以看出,流體自入口斷面流出時,由于流道截面突然增大,因此在閥門靠近閥瓣頂端B區及閥門內腔左下角處C區,出現了二次流現象。對比圖3、圖7、圖8逆止閥壓力流線圖可知,當逆止閥閥座角度分別為5°、30°、45°時,隨著閥座角度的逐漸增大造成逆止閥內部閥腔容積減小,B區和C區渦流范圍隨之減小。閥座角度為30°時,逆止閥C區渦流影響范圍已明顯減小;閥座角度為45°時,逆止閥C區幾乎沒有渦流。觀察流線圖譜后,發現該逆止閥主要的能量損失來自閥瓣產生的阻力損耗以及在閥腔內流體的回旋運動。流體流線基本是沿閥瓣的引導面進入下閥腔,說明流體流動的方向與閥瓣的結構形式密切相關,也就是閥瓣的角度對流體流向起引導作用,這對改進逆止閥結構有重要指導作用。2.2逆止閥流阻系數閥門的流阻系數是一個無量綱數,用于表征閥門對通過流體的阻礙程度。流阻系數的大小取決于閥門的結構尺寸及流體流動狀態。逆止閥入口處截面平均速度為v=32.88m/s時,根據數值模擬結果,可得出閥瓣達到最大開度時不同閥座角度逆止閥的流阻系數,如表2、圖9所示。由表2、圖9可以看出:隨著閥座角度的增大,流阻系數呈遞增趨勢;閥座角度為5°至35°范圍內,流阻系數變化較緩慢;閥座角度為35°至45°范圍內,流阻系數曲線斜率明顯增大。2.3反止閉閥壓力分析2.3.1基于anas-ls-dyna的閥瓣沖擊模型在逆止閥使用過程中,若發生停運情況,在停運瞬間會出現進出口壓差和大流量流體反流作用,瞬時產生一個很強的沖擊力,通常將此力稱為水錘。這個力在逆止閥快速關閉后達到最大,而這種反沖力會全部作用在逆止閥上。因此在實際應用中,常由于水錘沖擊力造成閥瓣破裂。閥瓣的大小決定了閥瓣重量產生的閉閥力矩,但由于管道內流速高,流體產生的開啟力矩大,為了使閥瓣快速關閉,有必要使用足夠重量的閥瓣;若閥瓣過重,則不利于閥門開啟,且增加了流阻。故研究閥瓣對閥座的沖擊情況非常重要。本模型通過改變閥座角度,減小閥瓣行程,以達到降低閥瓣沖擊力的目的。通過動量定理可計算得出閥瓣的瞬態沖擊力,見式(1)所示。式中,F——閥瓣的沖擊力;m——閥瓣的質量;v1——閥瓣的初速度;v2——閥瓣的末速度;t——閥瓣發生運動的作用時間。根據閥瓣關閉時的運動規律可知,以搖臂連接閥體的結點處作為圓心,閥瓣由最大開啟角度開始做圓周運動,v1初速度為閥瓣初速度,此時為0m/s;v2末速度為閥瓣在圓周過程中所達到的最大速度,可以通過ANSYS-LS-DYNA計算得出。由此可以計算出閥瓣與閥座發生撞擊時,閥座所受到的沖擊力。2.3.2逆止閥碰撞模型碰撞是一個瞬態的復雜物理過程,屬非線性動力問題。文中采用有限元分析軟件ANSYS-LS-DYNA對逆止閥碰撞進行動態仿真分析。由于逆止閥的碰撞只與閥瓣及閥座的結構參數有關,故在建立模型時逆止閥外觀形狀可以做簡化處理。運用CATIA軟件建立逆止閥簡化三維碰撞體系有限元模型,并導入ANSYS-LS-DYNA進行計算。逆止閥簡化三維碰撞體系有限元模型見圖10所示。逆止閥碰撞模型主要包括3部分,其中閥瓣及閥座為合金結構鋼,其密度為7.85×103kg/m3,彈性模量為215000MPa,屈服應力為1006MPa,泊松比為0.28,閥瓣厚度為20mm,閥座厚度為27.5mm,搖臂為剛體結構。隨著閥座角度的增加,閥瓣的形狀也在隨之發生變化。根據閥瓣的結構、材質及橢圓形面積計算公式,可以計算出閥瓣的質量,如表3所示。通過AN-SYS-LS-DYNA計算,可獲得逆止閥不同閥座結構閥瓣的關閉時間、閥瓣最大速度等參數,通過式(1)可計算得出閥瓣對閥座的沖擊力,如表3、圖11所示。由表3、圖11可以得出,在閥座角度為5°~20°時,閥瓣可開啟最大角度逐漸減小,閥瓣沖擊力呈遞減趨勢;閥座角度為20°~45°時,閥瓣可開啟最大角度雖然也逐漸減小,但是由于閥座角度的增大導致逆止閥入口斷面面積逐漸增大,致使閥瓣質量隨之增大,閥瓣沖擊力呈遞增趨勢。在閥座角度為20°時,曲線出現拐點,閥瓣沖擊力為272.9N,為9組模型中沖擊力最小值。2.4不同結構閥瓣的密封力逆止閥的密封性是考核逆止閥質量優劣的主要指標之一,其關系到逆止閥使用壽命的長短。文中模擬對象旋啟式逆止閥為接觸密封方式。當上游來流切斷時,閥瓣靠自身重力發生關閉運動,閥門內部將出現壓力恢復現象,閥瓣上下游壓力趨于相同,此時閥瓣上下游流體作用于閥瓣的力呈平衡力狀態。除此之外,閥瓣共受3個力作用:搖臂對閥瓣的拉力T、閥座對閥瓣的支撐力N及閥瓣自重力G,如圖12所示。其中,閥座對閥瓣的支撐力N即為密封力。由表4、圖13可見,隨著閥座角度的增大,閥瓣自身重力也由于入口斷面的增大而增大,故閥座對閥瓣的支撐力呈遞增趨勢。因此,在其它條件相同的情況下,逆止閥密封性能隨著閥座角度的增大而提高。從圖12可見,閥座對閥瓣的支撐力N=Gsinα,即閥座對閥瓣的支撐力與閥瓣自身重力G及閥座角度α有關。當G一定時,α越大,則N越大,即閥座對閥瓣的支撐力也越大,密封性能越好。對于DN220逆止閥,其不同閥座結構的閥瓣所受支撐力如表4、圖13所示。2.5閥座與閥座的密封性能閥座為閥門內部組件,用于支撐閥瓣全關位置,并構成密封副。由于不同的閥座角度對逆止閥內部流體在流動過程中的阻力損耗、閥瓣對閥座的沖擊力、閥門密封性等因素均有不同程度的影響,因此,一個合適的閥座角度可以降低流體在流動過程中的阻力損耗,同時確保閥瓣對閥座的沖擊力較低及閥門密封性能良好,避免事故的發生。閥座角度的選擇應秉承安全性第一,結合流阻分析的原則。根據沖擊分析可知,當閥座角度為20°時,閥瓣關閉對閥座產生的沖擊力最小,逆止閥在使用過程中,閥座不易因沖擊力而破損,安全性高。根據密封性分析可知,逆止閥的密封性能隨閥座角度的增大而提高,閥座角度在45°時,閥座對閥瓣支撐力達到最大,即密封性最優。根據阻力分析可知,逆止閥閥座角度為5°至35°時,流阻系數變化較緩慢,數值較小。綜上所述,閥座選取20°時,減小了閥瓣對閥座沖擊力,提高了使用過程中的安全性,也在一定范圍內控制了逆止閥內部流場的阻力損耗。然而閥座角度為20°時,密封性能并非最優。可以通過以下三種方法提高逆止閥密封性:1)降低表面親水性。表面親水性對泄漏的影響是毛細孔特性所引起的。當接觸面表面有一層很薄的油膜時,破壞了接觸面的親水性,并且堵塞了接觸面毛細孔通道,增強了閥門的密封性。在采用密封油脂密封時,應當注意工作過程中油膜減少須及時補充油膜。所采用的油脂應不溶于流體、不蒸發、不硬化或無其它化學變化。2)提高密封面質量。提高密封面質量,即提高逆止閥閥瓣與閥座密封面的吻合度及環向度。閥瓣與閥座密封面的吻合度高,則增加了流體通過密封面毛細孔的阻力;環向波紋度的增加,則提高了逆止閥密封面的迷宮密封性能。3)增加密封副。在逆止閥密封面上增加密封副,兩密封面只要其中一面的密封副材料具有足夠高的屈服應變即可。此時接觸表面由于不平整度形成的泄漏通徑,可借助于密封副受力后發生的塑性變形達到密封效果。在閥門設計中,軟密封副已被廣泛使用。3不同閥座角度下的流阻系數文中采用前期處理軟件HYPERMESH與FLU-ENT軟件相結合,基于六面體網格格式的優先體積積分法,用封閉N-S方程組和k-ε雙方程模型對逆止閥內部流場進行模擬,得到了逆止閥在不同結構特性時,流場分布的詳細信息。模擬結果表明:當閥瓣達到最大開度時,逆止閥流阻系數隨著閥座角度的增大而增大。閥座角度為35°時的流阻系數為流阻系數變化曲線圖中的拐點。比較閥座角度為5°至35°范圍及閥座角度為35°至45°范圍發現,后者流阻系數曲線斜率明顯增大。文中采用ANSYS-LS-DYNA軟件對閥瓣與閥座間的沖撞案例進行了模擬分析,并基于動量定理給出了具體的計算結果。計算結果表明:閥座角度為20°時,閥瓣對閥座的沖擊力最小,逆止閥在使用過程中,閥座不易因沖擊力而破損,安全性較高。逆止閥的密封性能可通過分析閥座對閥瓣