基于CFD双锥面调节阀流道结构特性分析

刘　洁，李灵东

(哈尔滨工程大学 核科学与技术学院，哈尔滨　150001)



【基础理论与应用研究】

基于CFD双锥面调节阀流道结构特性分析

刘洁，李灵东

(哈尔滨工程大学 核科学与技术学院，哈尔滨150001)

针对某双锥面调节阀，应用三维建模软件建立阀门内部流道模型，通过CFD进行离散求解，得到调节阀的流量特性曲线，与实验数据进行了比较。通过改变双锥面阀芯结构尺寸，再对流道进行数值模拟，得出影响流道结构特性的主要因素。

双锥面调节阀门；CDF数值模拟；流道结构；特性分析本文引用格式：刘洁，李灵东.基于CFD双锥面调节阀流道结构特性分析[J].兵器装备工程学报，2016(9):162-165.

阀门在核电站各个部门有着广泛的应用，某型核反应堆一回路辅助系统调节阀门是重要零件之一。与稳压器配合使用，当反应堆冷却剂系统压力过高时，比例式喷雾阀开启，并随着压力升高而加大开度，以避免反应堆冷却剂系统的完整性遭到破坏，使稳压器压力回到设计值[1]。该阀门采用流量控制精度高的双锥面阀芯，2个锥面的几何尺寸是决定阀门控制调节能力的非常重要的设计参数，传统的研究手段是采用试验方法，对阀门的外部特性，如进出口压力差、流量系数等，进行测量和分析，而对流体在阀门内部流动情况则很难知晓[2-5]。

近年来，为了解阀门内部流场分布，探寻各流动参数的变化规律，计算流体动力学(CFD)技术应用到该领域是一种非常有益的探索。英国GECALSTHOM公司的E.N.Jalmraes(Ceng)工程师对高压蒸汽涡轮阀门内部三维黏性流场进行了分析，应用高雷诺数的方程模型，并进行不同开度下的稳态模拟计算，获得了压力场、速度场分布情况[6]。中国科学院热物理研究所与北京全三维动力工程有限公司合作，由沈阳等人利用CFD技术对高压联合进气阀内的三维黏性流场进行分析，并对其几何结构进行了改进，为阀门结构优化提供了重要依据[7]。徐克鹏、蔡虎等人详细分析了大型汽轮机主汽调节阀阀门内部的流场结构，对流动现象提出了合理解释，得出了阀门的流量分配关系，能量损失分布情况，讨论了能量损失产生的机理，并进行了实验验证[8]。

本文采用FLUENT流体分析软件，对某型双锥面高精度调节阀进行数值模拟，详细分析了4种优化双锥面结构的阀门内部流场特征，数值计算结果与实验数据进行对比分析。研究结果可为同类阀门的设计和试验提供借鉴。

1　双锥面调节阀结构模型

通过三维建模软件Pro/ENGINEER建立了某型双锥面高精度调节阀流道模型。该阀门主要由阀体、阀芯、阀座和密封组件等组成。阀门的公称通径为DN25，工作压力为1.6MPa，压差不低于0.5MPa。如图1所示。

图1　双锥面调节阀内部结构示意图

调节阀门流道是锥阀腔内的流动空间，即连通进口与出口的空间。图2所示的流道模型是从图1中提取的三维模型，由图2可知，流道进口方向与出口方向之间呈90°夹角，从入口进入阀腔的流体，流经阀芯与阀座构成的节流通道，通过阀体腔，最终从出口流出。

图2　双锥面调节阀流道模型

2　仿真计算

2.1划分计算网格

流道模型建立后，模型的计算网格划分是非常重要的一步。为保证计算精度，划分网格时，遵循以下2个原则[9-10]：原则1：不规则结构区域网格密于规则结构区域；原则2：流动强烈区域网格密于缓慢区域。本模型阀芯锥面头部附近遵照原则1进行加密处理；模型阀座附近遵照原则2进行加密处理。在上述原则的基础上，根据计算能力选择网络数量并进行网格划分。模型选择四面体非结构网格，对流道重点部位和流动剧烈的地方进行网格加密，并对不同网格数量下的网格品质进行了比较。依据计算机的性能，本模型确定体网格总数在30万左右。得到如图3所示的稳态计算网格。

图3　流道模型网格划分

2.2边界条件

计算模型采用k-ε湍流模型，采用隐式Segregated法。流体状态边界为，介质采用水蒸汽，作可压缩流体考虑。重力加速度为9.8m/s2，湍流强度取3%，设置进口面边界为压力进口(1.6MPa)，入口直径为24.6mm，出口面边界为压力出口(1.1MPa)，出口直径为25.5mm。计算精度控制采用SIMPLE算法，残差精度设为10-5。

2.3计算结果

调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对位移(阀门的相对开度)之间的关系:

(1)

式中:Q为调节阀在某一开度下的流量；Qmax为调节阀全开流量(最大流量)；l为调节阀在某一开度下阀芯位移；L为调节阀全开时阀芯位移[11]。

通过改变阀芯与阀座之间的通流面积，便可控制流量。将阀芯在不同位移下的模型依次进行数值计算，得到相应的质量流量，通过计算得出阀门在不同位移下的相对流量[12]。阀芯相对开度与相对流量变化曲线如图4所示。

从结果可看出，阀门在初始打开阶段，相对流量变化比较缓慢，随着开度增加，相对流量变化加快。相对流量变化较大的范围在相对位移50%～100%，变化量为0.835；0%～50%，相对流量变化只有0.165。与阀门实际工作情况基本相符，即小开度精调，大开度控流量。

流体在流过阀门时，压力最大的位置分别出现在阀门进口、背对出口流道和阀芯头部(压力最大达到1 599 361Pa)。通过锥心时压力降低到137 029Pa，随着流体的流动，过流截面积不断增大。当流体全部通过阀门以后，流体的压力逐渐恢复(151 347Pa)。流道压力云图见图5。

图4　相对位移与相对流量变化曲线

图5　流道流体压力分布

3　流道特性分析

对该调节阀流道结构分析可知，在阀门的进出口几何尺寸、开度确定的情况下，阀芯几何形状是影响阀门的流通性能的最主要的影响因素。因此，选择正确的阀芯锥角几何尺寸非常重要。

双锥面阀芯几何尺寸定义见图6。阀芯锥角几何尺寸由2个锥面的半角α1、α2和锥台高度h1确定。

图6　双锥面阀芯几何尺寸定义

在保持2个锥面半角α1、α2不变的情况下，相对流量随着锥台高度h1的增加而减小；保持锥台高度h1不变，相对流量随着锥面半角α1、α2增加而增大。实际双锥面阀芯3个参数是互相关联和制约的，参数的匹配关系是流量特性的决定因素。3个几何参数与相对流量变化关系如图7所示。

图7　几何参数与相对流量变化关系

对建立的4种锥芯尺寸进行数值计算，并把计算结果与实验数值进行比较。模型1是α1=α2，即处于单锥面状态，流通规律与实验结果基本一致，但是相对误差比较大，最大值为0.168；模型2的h1偏大，模型4的α1偏大，两个模型的流通规律与实验结果基本一致，模型2在开度较大时产生很大误差，最大值为0.237，模型4在阀芯处于中间位置时产生很大误差，并且流量控制不稳定，最大误差为0.255；优化后的模型3的流通规律与实验结果有很好的一致性，并且误差比较小，最大误差仅为0.046。结构优化流量特性如图8所示。

图8　优化模型数值计算曲线

4　结论

运用理论分析、数值仿真相结合的方法，对双锥面阀门流道进行系统、深入分析。计算结果表明：通过数值模拟所得到的结果与实验数据有较好的一致性。这有助于提升阀门优化设计水平，缩短设计周期，降低人力和试验成本，具有重要的现实意义；在对双锥面阀芯结构尺寸充分分析的基础上，给出4种结构模型，模型3的仿真结果与实验数据基本一致，该模型可满足实际阀门设计要求；研究成果可为双锥面调节阀门后续优化设计和试验提供理论依据。

[1]樊达宜.基于FLUENT的节流管式调节阀结构优化设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2014:42-59.

[2]“阀门管件设计”编译组.美国阀门管件设计手册[M].北京:机械工业出版社，1987:93-96.

[3]张健,姜继海.锥型节流阀压力特性仿真与试验[J].华中科技大学学报(自然科学版),2015,43(4):36-40.

[4]尚照辉. 阀芯结构对节流截止阀性能影响的研究[D].杭州：浙江理工大学，2012:36-69.

[5]马征. 基于ANSYS的汽轮机叶片参数化有限元分析[D].上海：上海交通大学，2013:56-78.

[6]李勇. 阀门三维参数化设计系统的开发[D].成都：四川大学，2002:54-73.

[7]沈阳，栾秀春. 节流管式调节阀动态特性研究[J].电站系统工程，2012(5)：11-17.

[8]徐克鹏,蔡虎,徐星仲，等.600MW汽轮机高压联合进汽阀内部流场的数值模拟[J].工程热物理学报,2002,23(6):555-558.

[9]彭龑,郝刘峰.阀门内流场数值模拟分析研究[J].四川理工学院学报(自然科学版),2010,23(10):546-549.

[10]肖鑫.调节阀流场分析与结构优化研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2014:20-36.

[11]屈铎,彭利坤. 基于CFD的球阀阀腔流场的数值仿真[J].液压与气动,2014(11):112-115.

[12]李杰，庞天照，童法松.节流阀流量特性曲线求解方法[J].阀门,2015(3):26-28.

(责任编辑唐定国)

StructuralCharacteristicAnalysisonaDouble-PoppetRegulatingValveBasedonCFD

LIUJie，LILing-dong

(CollegeofNuclearScienceandTechnology，HarbinEngineeringUniversity，Harbin150001,China)

Inviewofthedouble-poppetregulatingvalve,thethreedimensionalmodelingsoftwarewasusedtoestablishvalveinteriorflowfieldmodel.BytheapplicationofCFDsoftwaredispersesolution,theflowcharacteristicsofthecontrolvalveweregot，andafterwardswecomparedandanalyzedtheflowcharacteristicspursuedwiththeexperimentaldata.Bychangingthestructuresizeofthedouble-poppetspoolandcarryingonthenumericalsimulationoftheflowchannel，themainfactorswhichaffecttheflowcharacteristicsoftheflowchannelwereobtained.

double-poppetregulatingvalve；CFDnumericalsimulation；channelstructure；characteristicanalysis

2016-04-18；

2016-05-06

校第二十一届“五四杯”大学生学术科技创新项目(A6-2015-15-002)

刘洁(1995—)，男，主要从事核技术应用研究。

10.11809/scbgxb2016.09.037

format:LIUJie，LILing-dong.StructuralCharacteristicAnalysisonaDouble-PoppetRegulatingValveBasedonCFD[J].JournalofOrdnanceEquipmentEngineering,2016(9):162-165.

TH134

A

2096-2304(2016)09-0162-04