不同温度下高排逆止阀内部流场的对比分析

库勤锋，王炳坤

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065；2.中石油庆阳石化公司，甘肃 庆阳 745115；3.西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

设备与自控

不同温度下高排逆止阀内部流场的对比分析

库勤锋1，2，王炳坤3

（1.西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065；2.中石油庆阳石化公司，甘肃 庆阳 745115；3.西安航空职业技术学院，陕西 西安 710089）

在高温状态和常温状态两种工况下，采用FLUENT软件中可实现的k-ɛ湍流模型进行内部流场模拟，得出高排逆止阀在阀瓣不同开度下所受到的压力分布和阀门内部的速度矢量图以及漩涡强度图。从这些图中可以得出，阀门的压力损失随着阀门开度的增大而减小，常温状态下和高温状态下两者的压力场及速度矢量场分布没有明显差异，但是在漩涡强度上常温状态比高温状态要小。从图中也可看出阀门在开启时阀瓣受力较大，因此要注意在高排逆止阀摇杆结构设计时应防止力矩过大而造成损坏。

高排逆止阀；流场；数值模拟；能量损失；常温与高温状态

我国是一个主要以煤炭为一次性能源的国家，常规火电占电力装机的70%以上。阀门作为火电机组的关键配套产品，是保证机组经济、安全运行的重要设备之一。逆止阀的特点是安装快、造价低，一直被广泛应用于热点回热抽气系统或其他系统的蒸汽、水等介质管道上。由于阀门对流体的阻止作用以及阀瓣在不同开度下对流体产生的影响，必然会导致流场结构发生变化以及产生复杂的涡系，从而导致各种损失，尤其是在阀门突然启闭的过程中，流量剧烈变化，导致压强等参数剧烈变化，这样不但会加剧流动损失，而且会发生剧烈的震动与冲击。这种震动和冲击往往使阀体产生形变以及疲劳破坏，不仅影响阀门的控制和调节精度，甚至会导致整个系统工作失灵。同时，涡系和流动冲击也必然会产生噪音。

基于以上原因，需要对高排逆止阀的内部流场进行深入研究，减小流动阻力及震动，降低噪声，解决阀门在小工况下阀瓣不能平稳开启并发生震颤的问题。考虑到该阀门必须在高温情况下工作，因此对比分析了常温（20℃）与高温（375℃）两种状态下的内部流场。

1 建模及相关设置

1.1 数值模拟研究对象

按照该高排逆止阀的工程，用SolidWorks建立流场分析用三维模型，阀门的通称直径为40（NPS）。为保证进、出口流场的稳定性，在计算过程中分别对逆止阀进口添加长为5倍直径的管道，出口处添加加长为10倍直径的管道。

应用网格划分软件GAMBIT，采用四面体结构进行网格划分，划分网格数量为850万。

1.2 相关设置

流场分析采用FLUENT软件，计算中选择湍流方程模型Realizable。

选取水蒸汽作为流动介质，密度为5.307kg·m-3，动力黏度为26.59×10-6kg·s-1·m-1。假定介质为黏性牛顿流体，不考虑重力影响，并且阀门与周围环境没有热交换。阀门进出口采用压力边界条件，通过调节出口压力改变阀门流量。壁面采用无滑移边界条件，即假定相对于固体壁面的流体切向分速度和法向分速度均为零。压力速度的耦合采用SIMPLEC算法，各控制方程的离散采用二阶迎风格式。阀门在阀口各开度下的进口压力都是5.81MPa。管道进口速度为33m·s-1。

2 高温状态（375℃）数值模拟结果分析

图1是阀门在不同阀口开度时内表面的压力分布图。从图1中可以看出，阀口的开启程度越大，阀瓣两侧的压差越小，也就是阀瓣所受到的力矩作用也就越小。

图1 高温时阀体内表面压力分布

图2是阀门在不同开启角度时轴面上的速度矢量分布情况。从图2中可以看出，速度矢量线在阀腔内的入口处是平行的，表明这时候流体的流动比较稳定。当流体进入收缩段后，流速逐渐增高，当流体流到阀瓣位置时，流体分成了几个部分经过阀瓣流出。中间区域的流体会直接冲击阀瓣，阀瓣迎流面处的流速明显下降，此时流体的质点的流动方向发生变化，形成局部回流现象，加上后面继续冲击阀瓣的流体，两者混合后再次流过阀瓣，最终都以绕流形式经过阀瓣，导致流程延长，这就造成了能量损失，还有一部分流体绕流到阀瓣的侧面和背面，最后直接进入出口阶段。从图2中还可看出，随着阀口开启程度的增加，阀瓣背后的旋涡运动区域减小，流动更加顺畅，这也是阀口开启程度越大阻力系数越小的原因。

由图3所示的旋涡强度的分布图可知，当阀口的开启程度增加时，整个流道内的旋涡强度逐渐减小，能量损耗减小，这与图2的流动显示结果一致。

图2 高温时阀门轴面速度矢量

图3 高温时阀门轴面漩涡强度分布

3 常温状态（20℃）数值模拟结果分析

保持其他设置不变，设置温度为20℃进行分析，分析结果如下。图4、图5、图6为温度为20℃时的流场分布情况。与高温状态下的流场分布进行对比可以看出，压力场及速度矢量场分布没有明显的差异，而不同温度状态下的旋涡强度差异明显，在低温状态下漩涡强度要明显减小。

图4 常温时阀体内表面压力分布

图5 常温时阀门轴面速度矢量

图6 常温时阀门轴面漩涡强度分布

4 结论

1）由上述分析可知，此阀门开启过程中流场稳定，在全开状态时能量损失较小，流阻较小，流通性能好。而且高温对阀瓣两侧压力分布及阀门内部速度矢量的影响较小，对阀门内部涡流的影响较大，因此高温状态下阀门的能量损失比常温状态下大，高温状态比低温状态更容易产生噪声。

2）随着阀门开启程度的增加，阀瓣两侧的压差逐渐减小，阀门的阀瓣所受到的力矩作用也就越小，阀门进出口压降亦随之减少。

3）由于开启时逆止阀阀瓣受力较大，阀门的摇杆结构设计要合理，强度要足够，避免由于力矩过大而破坏。

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Comparative Analysis of Internal Flow Field of High Discharge Check Valve under Different Temperatures

KU Qin-feng1，2， WANG Bing-kun3
（1.College of Mechanical Engineering， Xi'an Shiyou University， Xi'an 710065， China； 2.Qingyang Petrochemical Company，CNPC， Qingyang 745115， China； 3.Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi'an 710089， China）

k-ɛ Turbulence model in FLUENT software was used to simulate the internal flow field under two conditions of high temperature and normal temperature， and then the pressure distribution of high discharge check valve under different opening of the valve and the velocity vector and the vortex intensity map of the valve， was got.From these figures we could draw that the pressure loss of the valve decreased with the increase of the opening of valve， meantime， there was no significant distribution difference between the pressure field and velocity vector field under normal temperature and high temperature， but in the vortex strength normal temperature was smaller than the high temperature.It could be seen that the valve got more stress when the valve was opening.Therefore， attention should be paid to the design of the high discharge check valve rocker structure to prevent the damage caused by too much torque.

high discharge check valve； flow field； numerical simulation； energy loss； normal temperature state and high temperature state

TQ 055.8+1

A

1671-9905（2016）09-0056-03

2016-06-27