基于CFD技术的电动截止阀流场特性研究*

朱凤霞

(武汉华夏理工学院 智能制造学院，湖北 武汉 430223)

0 引言

截止阀用途广泛，在系统中通过调节阀芯开启高度控制管路系统出口处流体的压力与流量。截止阀工作状况要求频繁启闭阀芯，加之其材料与工艺等方面的设计缺陷，容易导致泄漏、能耗增加、振动和设备侵蚀等不良后果。随着工业科技的高速发展，为适应高性能的输送系统，探索截止阀设计新思路、新方法，研发新结构、新性能的截止阀势在必行。

截止阀复杂的内部流道形状导致流体流动状况也十分复杂，工作过程中，流道内可能会产生涡流、回流等现象，将严重影响截止阀的工作性能，对系统危害很大，甚至可能会损坏设备。本文采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamicss，简称CFD)技术，对带节流口的电动截止阀全流道进行流场数值计算，详细模拟截止阀流道内阀瓣开启不同状态下的流场特点，得出流道内压力分布云图、速度分布云图、速度矢量图及全流场流线图，为分析截止阀的实际工作状况、阀芯结构改进及阀道结构优化提供依据。

1 建立物理模型

1.1 截止阀结构

图1为电动截止阀的结构，它主要由阀体、阀瓣、支持套、阀杆、填料室等组成。其中，阀瓣外侧装有支持套，支持套上圆周分布着等直径节流小孔，阀瓣开启后，流体由入口段管道流入，流向支持套四周空间的排放槽，再通过支持套节流小孔流入阀瓣下方，经阀座孔到达出口段，形成了特殊形状的流道，此流道有节流和降压的效果，对阀芯起保护作用。此截止阀流体从高处流向低处，即由阀瓣四周和下方流向阀座孔，因其带有节流平衡口，保证了启/闭全压差条件下稳定操作，开启轻便灵活、启闭扭矩小。

1.2 计算区域及网格划分

电动截止阀阀瓣全开启状态下的内流道模型如图2所示。流道模型最大单元尺寸设置为2 mm，比例因子为1.0。利用Fluent软件中的网格划分模块ICEM求解流道进行网格划分，由于其内流道结构不规则，因此采用混合网格进行网格划分，网格单元采用Tetra/Mixed(非结构化网格，主要由四面体组成，个别位置可以有六面体、三棱柱边界层网格)，流道模型划分为120 180个节点、610 321个单元。由于阀瓣和支持套部分的流动更为复杂，速度与压强较大，因此对阀瓣、支持套进行局部网格细化。电动截止阀内流道有限元模型如图3所示。

图1 截止阀结构 图2 截止阀内流道模型 图3 截止阀内流道有限元模型

2 模拟分析

2.1 材料性质

在建立截止阀流道物理模型过程中关键的任务是正确设定其物性参数。根据实际工况，在Fluent软件中工作介质材料定义为默认Air，Density中选择ideal-gas(理想气体)，参数选择默认值。

2.2 边界条件

边界条件是流场变量在计算边界上应满足的数学物理条件，边界条件设定的正确与否将直接影响分析计算的最终结果。施加边界条件如下：

(1) 进口处：采用速度入口，速度大小为10 m/s，方向垂直入口截面。

(2) 出口处：采用压力出口，压力大小为10 MPa。

(3) 壁面：计算模型为阀瓣开启到最大高度时的流道模型，对截止阀流道中所有的壁面设置为固壁边界条件，近壁区采用标准壁面函数。

2.3 模拟计算

对截止阀流道网格图设置合理的边界条件后，导出.msh网格文件到Fluent软件中进行计算，迭代步数设置为200，计算迭代收敛后对计算结果进行后处理。

3 计算结果分析

由于截止阀结构对称，为了简化分析难度，通过选择阀对称面来研究流道内部流体的实际流动状况。阀瓣开启到80%和100%时对流道进行动态数值模拟计算，得到截止阀流道对称面的压力云图、速度云图和流速矢量图，如图4所示。

图4 仿真结果

从图4(a)、图4(b)可以看出：流道对称面上进出口压力分布较为均匀，阀体流道入口段压力高，流体流经支持套节流口时过流面积突然减小，压力随之下降，在阀体流道出口段上端出现了负压，此负压可能会导致空化现象的发生，但位置离阀芯较远，可以避免阀芯被腐蚀，进而影响截止阀的启闭特性。

从图4(c)、图4(d)可以看出：流体在阀体出口段顶部和阀座孔右下方有滞流现象，流动缓慢，接近静止状态，流速大小为0 m/s～1 m/s；流体经过支持套节流孔时由于通流面积突然变小，此时流速最大，最大流速约为36 m/s(阀瓣开启80%)、28 m/s(阀瓣开启100%)，流体流经阀座孔后速度变小，约为23 m/s(阀瓣开启80%)、20 m/s(阀瓣开启100%)，流道壁面处的速度几乎为零。

从图4(e)、图4(f)中可以看出：流道入口段处流速稳定，流体先通过阀芯四周的排放槽，然后由支持套圆周上的节流小孔沿轴向流入阀瓣下方，即流体流经阀芯时先经过节流小孔的作用后，改变了流体的流态，产生涡流现象，缓解了流体对阀瓣的直接冲刷，对阀瓣进行了有效的保护；流体从阀座孔流向出口时比较流畅，在阀座右下方和出口段上方流体速度较低，且有回流、涡流现象。

4 结论

实际工程应用中，截止阀阀芯容易发生破坏，其主要原因就是阀芯在启闭过程中受到流体的高压和高速冲击而引起的。本文对带有节流孔电动截止阀进行模拟分析，其支持套节流小孔和阀座部位是过流面面积突变处，流体的流动特性非常复杂，局部产生涡流，减小了流体对阀瓣的冲击。在流道接近出口段，由于过流面积突然增大，出现了不同程度的低压区域和涡流区域，这些区域位置接近出口处，远离阀芯，对阀芯结构进行了有效保护，有利于提高截止阀的整体使用寿命。