WORKBENCH对旋启式止回阀流体分析的研究

汪小峰，雷鹏，冯立斌

（英诺威阀业有限公司，安徽 铜陵 244121）

WORKBENCH对旋启式止回阀流体分析的研究

汪小峰，雷鹏，冯立斌

（英诺威阀业有限公司，安徽 铜陵 244121）

流动特性及相应参数对旋启式止回阀的应用研究作用大，基于计算流体力学（CFD），结合FLUENT软件，对旋启式止回阀进行数值计算，得出止回阀内流体的速度分布、压力分布等流动特性参数。

旋启式；止回阀；流动特性

旋启式止回阀又叫做单向阀或者逆止阀，主要作用是防止管路中的介质倒流，防止事故发生。对于结构复杂的止回阀管路来说，流体流动特性对于阀门的使用情况会产生一定的影响，因此对止回阀内流体流动的分析模拟计算非常重要。

利用CAE分析方法对工程相关的流体流动进行仿真分析计算，已经成为一种重要的分析研究方法，仿真计算可以缩短整体试验设计流程，减少成本，是智能化设计的重要环节，近年来得到了广泛的研究和应用。

1 建模基础

流体有限元计算的理论基础是三大方程，分别是连续性方程、能量方程和动量方程，以计算机为基础的流体力学叫做计算流体力学（CFD），也就是利用计算机为终端，利用程序模拟手段，让各种复杂的流体问题进行离散化求解。

Ansys Fluent是非常著名的CFD计算软件，在计算过程中，首先需要进行数学模型的建立，对研究的止回阀模型进行物理建模，进行计算前的分析假设，首先需要考虑各类边界条件，是无粘流动还是粘性流动，是可压缩流体还是不可压缩流体，还要考虑是否为非定常流动，有旋或者无旋以及层流湍流情况，在计算前期，还要对研究的流体实体进行CAD模型的建立、模型导入以及微小处理。

流体的任何流动都需要满足连续方程和运动微分方程组，还包括能量方程、状态方程、密度方程等。在封闭方程组的前提下，为了能够得到确定解，还必须给出相应的定解条件，所设置的起始条件和边界条件均不同，而且在空间上任何边界的设置都必须满足边界条件的收敛情况。实际流体中，流体流动多为湍流，而商用软件内部植入了丰富的湍流模型用于计算分析。

网格的划分在数值模拟的过程中至关重要，工程上的问题多发生在复杂的区域内，不规则区域内网格的生成也是计算流体力学中一个非常重要的分支。网格质量对数值计算结果的影响十分巨大，在流体计算中，非结构化和混合网格的使用最为频繁。

在CFD计算过程中，需要把N-S偏微分方程转化为网络划分后各个节点的代数方程，该方程主包含该节点及附近节点上所显示的函数值，形成离散方程组。离散方程组用于对连续问题的求解，让无限自由度转化为有限自由度从而得到相应的结果。

2 计算过程

首先进行计算的条件设置，采用不可压缩流动的雷诺时均方程组，湍流模型采用标准κ-ε模型；计算过程中，所有方程中的对流项均用二阶迎风格式离散，离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法（SMPLE算法）。设置管壁粗糙度等数值，并将连续性方程和动量方程收敛残差标准设为10-4，提高计算精确度，开度从6～60，共10个变化区间。

此次分析过程中均将入口条件设置为质量流入口边界条件，出口条件为自由边界。

设置旋启式止回阀内部流动介质为水（软件默认水的状态为20℃），为了简化计算，选择流动模型为单相流体不可压缩三维粘性流动，采用不可压缩流动的雷诺方程与κ-ε湍流模型构成封闭的方程来求解。

在创建流体分析用计算域模型时，紧紧结合JB/ T5296-91标准，取止回阀及其前部管道L1=5D为管道直径与其后部管道为L2=10D一同作为计算域，网格划分采用了非结构混合网格技术以及自适应网格技术，以保证网格质量，阀门模型部分区域进行了加密处理，以保证计算结果的准确性，如图1所示为本文模型的部分网格划分情况。

3 计算结果分析

图1 管道模型网格划分

FLUENT的后处理模块可以对计算结果呈现非常直观的现实，求解过程完成之后，进入软件后处理模块，得到相应的结果。开度为6°时的速度分布云图以及压力分布云图如图2、3。

图2 开度6°速度云图

图3 开度6°压力云图

由图可知，在开度较小的情况下，压力损失主要形成在密封面处，介质流速增大，而大部分的介质是从密封面间隙的下侧通过阀门。

随着开度逐渐增大以及入口边界条件流量的增大，大部分介质主要是通过密封面的下侧间隙，阀腔的下侧表面易受到冲刷。而有所区别的是在阀座的上端出现了高压区，这个高压区的形成容易对阀座的密封面造成损坏。由计算结果可知，随着开度的进一步增大，流体速度在阀内中下部最大，速度达到边界定点，而随着流体速度的增大，相应位置处的压力则减小，可知速度和压力的结果呈现相反趋势。

4 计算旋启式止回阀特性参数

计算结果不仅可以得到整个流体计算域的速度、压力情况，根据入口压力的大小，可以得到不同开度下入口和出口的压差值，结合FLUENT软件进行特性参数与计算，根据JB/T5296-91标准，进一步计算出流量系数Kv值与流阻系数K值。得到的分析结果制如图4。

图4 不同开度下的Kv和K值

由结果可知，在不同的开度下，流量系数呈现增大趋势，但变化切度呈现降低趋势，而相对来说，流阻系数则呈现降低趋势，随着开度的增加，下降切度呈现变小趋势。

5 结语

CAE分析计算对工程应用有着重要的作用，旋启式止回阀作为重要的机械部件，未来的研究会更加倚重前期的设计计算，通过对不同开度下的止回阀流动特性计算，得出相应的速度、压力结果，结合输出计算，得到不同开度下的流阻系数、流量系数，相应的计算结果为未来更智能化的止回阀设计提供了思路。

[1]包玉霞,赵全成．旋启式止回阀全开状态下的数值模拟[J]．科技与创新，2015．18．

[2]王宏伟,刘小兵,刘德民．球形止回阀的CFD分析[J]．流体传动与控制，2009．2．

[3] JB/T5296-91，通用阀门 流量系数和流阻系数的试验方法[S]．

TH134

A

1671-0711（2017）08（下）-0154-02