旋启式止回阀全开状态下的数值模拟

包玉霞++赵全成

摘 要：为了得到旋启式止回阀的最大流量和在不同流量下的压力损失曲线，采用了计算流体动力学（CFD）方法，根据止回阀的工作原理，建立了该阀全开状态下的三维有限元模型，并利用Fluent软件中提供的计算方法和物理模型进行了非定常的数值模拟计算，获得了阀门内部流场的压力云图、速度矢量图和不同流量下的压力损失曲线图。结果表明，该阀在全开状态下流动平稳、压力损失小、阀瓣后方出现了较小的漩涡、没有负压出现，此研究结果为止回阀的设计改造提供了依据。

关键词：旋启式止回阀；压力损失曲线；流体动力学；Fluent

中图分类号：TH134 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.105

目前，国内使用最普遍的是旋启式止回阀，其阀瓣动作主要受流动介质的控制，在阀门关闭瞬间介质为反向流动，易产生对管道系统起破坏作用的水锤现象。在实际应用过程中，了解止回阀的流量特性和工作特性对充分利用该阀起着非常大的作用，而用试验的方法不仅成本高、操作困难，而且还需较长的时间才能完成。因此，本文利用流场仿真软件Fluent对某型号的旋启式止回阀进行全三维瞬态数值模拟计算，得到了该阀全开状态下的内部流场结构和压力流量变化曲线。这不仅节约了成本、缩短了设计周期，还大大减少了不必要的损耗，为旋启式止回阀的设计和计算提供了可靠的依据。

1 旋启式止回阀的结构及其工作原理

旋启式止回阀主要由阀盖、阀体、阀座、阀瓣、摇臂、阀杆、支架和销轴等零件组成。阀瓣由摇杆带动绕销轴旋转启闭，阀座一般采用5°～10°的倾斜密封面，中腔为高压金属密封或填料复合型密封，销轴孔可能发生外漏，因此，采用了内装摇臂旋启式结构。

该阀的设计条件为：公称通径DN=150 mm，公称压力P=5.42 MPa，最高工作温度t=250 ℃。

当介质通过旋启式止回阀时，阀瓣上介质静压力与冲量共同作用使阀瓣开启，介质通过流道，由于阀瓣的阻尼作用，会在阀瓣前、后形成一定的压力差。在介质冲量与压力差的共同作用下，阀瓣克服因重力而产生的关闭力矩和销轴与摇臂之间的旋转力矩，继续做开启运动，直到摇臂端面与阀体接触。此时，阀瓣处于动态平衡状态，基本维持在该位置不动。此过程的作用时间非常短暂，一般在0.2 s左右。当意外停泵、压力减小和流速减慢时，由于关闭力矩大于介质冲量与压力差的合力矩，导致阀门做关闭运动，但因关闭行程较短，阀瓣关闭迅速到位，流体的回流受到限制，回流速度很慢，进而减小了水锤的破坏力，保护了机械设备和管道。

2 旋启式止回阀的开启压力

对启闭件（摇臂与阀瓣的组合）进行受力分析，由于阀瓣在开启过程中受到的液动力较小，因此，在此计算过程中忽略液动力的影响。

阀瓣的受力面积S=0.0254 m2；启闭件的材料为INCONEL 625；密度ρ=8 400 kg/m3；体积V=852 491.771 9 mm3。因此，其所受重力G=70.23 N。

重力G和气体压力F对应的力臂表达式为：

. （1）

由力矩平衡方程可得：

Glg-Flf=0. （2）

将式（2）变换得：

. （3）

则：

. （4）

利用MATLAB仿真软件绘制的回转角α与气体压力F之间的变化曲线如图1所示。

图1 气体压力F与回转角α之间的变化曲线图

由图1可看出，随着回转角α的不断增大，气体压力F也随之增大，该曲线类似于对数函数的增长方式。当α=83°，即阀的开度为最大时，f（α）有最大值，其值为1.017. 因此，在止回阀完全开启时，其所需压力的最大值F=71.424 N，启闭件实际所受的气体压力值F0=1.22×105 N。

综上所述，止回阀在该工作条件下阀口处于完全开启状态，而止回阀阀口开度最大时所需的压力差值P0=2 808.21 Pa。

3 数值模拟及其结果分析

3.1 旋启式止回阀最大流量的计算

声音在氧气内的传播速度的计算公式为：

. （5）

式（5）中：k为比热比；R为气体常数；T为热力学温度。

将具体数据代入式（5）中得：C=404.68 m/s。

由已知的峰值流量Q=14 087 Nm3/h可得到最大入口速度v=7.63 m/s，马赫数Ma=0.019，该值<0.3，因此，忽略氧气压缩性的影响，按不可压缩流体处理介质。气体通过薄壁小孔的质量流量公式为：

. （6）

式（6）中：qm为最大流量；A0为过流面积；T1为初始时刻的温度。

将P1=4.79 MPa、△P=P1-P2代入式（6）得：

. （7）

. （8）

再次利用MATLAB仿真软件绘制的不同压力损失下的变化曲线如图2所示。

图2 利用MATLAB仿真软件绘制的不同压力损失下的变化曲线图

当? p =0.02 Mpa时，f（△p）达到最大值0.308 9，根据流体力学原理，最大流量出现在压力损失最大的时刻；在Fluent中计算得到最大的体积流量qv=0.502 5 m3/s，换算成标准状况（工业气体的标准状况，即温度为20 ℃，压力为0.101 325 MPa）下的体积流量为55 199 Mm3/h。在式（6）中，用有效面积S=0.018 136 64 m2代替P1=4 790 000 Pa、P2=4 770 000 Pa、T1=180 ℃和CA0，计算得到最大质量流量qm=20.94 kg/s，而由仿真计算得到的最大质量流量为qm0=20.85 kg/s。质量流量的误差变化率为η=0.43%.

由于质量流量计算具有一般性，因此，出现误差是必然的，但0.43%的误差变化率在可接受的范围内。

3.2 不同流量下压力损失的计算

利用流场仿真软件Fluent对该旋启式止回阀全开状态下的三维有限元模型进行数值模拟计算，分别设置了12组不同的入口速度和相同出口压力的边界条件。为了提高计算精度，离散格式中选择二阶微分格式。针对网格无关性问题，在保证动网格质量的基础上，分别对止回阀进行了不同密度的网格划分，结果证明，不存在实质性差异。

图3 不同流量下的压力损失变化曲线图

由图3中可看出，在全开状态下，该止回阀的压力损失与不同流量之间的变化曲线呈指数函数曲线的形状增长。当入口流量<15 000 Nm3/h时，随着流量的增加，压力损失的变化率逐渐降低；当入口流量>15 000 Nm3/h时，随着流量的增加，压力损失的变化率逐渐提高。

3.3 压力云图分析

选取标准状况体积流量为45 198 Nm3/h的入口边界条件所对应的压力云图中，局部的最小压力值为4.76 MPa，最大压力值为4.78 MPa，压力变化范围为0.02 MPa，局部拐角处的压力值为4.76 MPa。从入口到阀瓣正下方，压力云图保持恒定值；阀瓣正下方出现压力梯度，靠近阀瓣区域的压力最大，远离阀瓣处的压力先减小、后增大，但压力变化幅度不足0.01 MPa；从阀瓣下方到出口处的压力保持恒定值，经阀瓣前方的过渡处后压力仍保持恒定值，入、出口的最大压力差值为0.01 MPa；在阀瓣上端，压力值基本维持在4.77 MPa，而阀瓣下侧的压力值为4.783 087 MPa，大于上侧的压力。因此，阀瓣固定在该位置不动，对流体的流动没有造成任何影响。

3.4 速度矢量图分析

体积流量为45 193 Nm3/h下的入口边界条件所对应的整个流域中速度的最大值为28.3 m/s，最小值为0.006 13 m/s，近似为0.从整个流域看，流体主要在入、出口的通道中流动，虽然阀瓣上侧有流体流动，但流动区域较小；在阀座的上、下两端出现了局部的漩涡区，但漩涡区的速度基本为0，不会对阀座造成冲击影响；由于摇臂与阀体两端接触，中间出现了很小的缝隙，阀瓣上侧的流量只能从该缝隙中流过，因此，缝隙中的流体流动比较湍急；过渡区的流速较快，但流动平稳，无漩涡现象。

4 结论

通过对启闭件进行受力分析，并通过求解力矩平衡方程得到了该止回阀达到全开状态时所需要的压力值为2 808 Pa；通过理论计算公式和流场仿真软件Fluent分别计算了该止回阀在压力损失最大时所对应的流量值，并经比较发现，两个流量值的误差变化率为0.43%，在可接受的范围之内，验证了仿真结果的准确性；利用Fluent软件模拟计算了不同流量下的压力损失，并绘制了流量压力损失曲线——该曲线按照指数函数曲线的形状增长，变化率逐渐提高；止回阀在流动过程中并不存在负压，且最大和最小压力的差值不超过0.02 MPa，压力在整个流域中均匀分布，阀瓣下方的压力明显大于阀瓣上方的压力，因此，阀瓣能稳定地与阀体接触，流体主要在入、出口的圆形通道中流动，在阀座的上、下端出现了速度基本为0的漩涡，其对阀体无任何冲击作用，也基本不存在能量损失，在摇臂与阀体之间的缝隙内出现面积较小的湍流，但整体流动平稳。

参考文献

[1]李树勋，侯英哲，李连翠.液流旋启式止回阀关闭动态特性数值模拟[J].排灌机械工程学报，2013（04）：335-339.

[2]侯英哲.动态流量平衡阀优化研究及动态特性分析[D].兰州：兰州理工大学，2014.

〔编辑：张思楠〕