CFD 技术在电动截止阀三维流场数值模拟中的应用

朱凤霞 齐洪方 汪 芳 谈 剑 孙文文 王 鹏

（1.武汉华夏理工学院，武汉 430223；2.武汉中地先进技术研究院有限公司，武汉 430000）

截止阀是重要的流体输送装置。当介质流经截止阀时，由于截止阀的结构和启闭动作，会引起介质出现复杂流动状态，若结构设计不合理，可能会造成流体输送系统产生噪声、振动和能量损失，甚至会造成截止阀阀瓣和壁面磨损严重以及输送管路不能正常使用等问题[1]。传统的阀门设计方法主要依靠设计经验与数据，不能有效地进行流道设计，尤其是不能精确地得到阀门内部介质流动状态和详细数据。

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是以不同的流动介质为研究对象，通过数值计算模拟流体流动时的各种物理现象，从而获得仿真力学数据。运用CFD 技术进行截止阀的研发设计，可直接通过模拟计算得出阀门内部的流场状态，且后处理模块可以采用数据、图像等直观的方法显示计算结果。根据计算结果，可以进行阀门结构的改进，从而提升设计质量、缩短研发周期，对截止阀性能优化有一定的指导意义。

本文将CFD 理论应用于电动截止阀流场数值模拟，研究其内部流动介质的压力、速度以及流动路径等流场特性，计算结果由云图和矢量图直观表示，通过分析其压力、速度变化情况和介质流动路径，提出结构优化方案，为改善阀门性能提供了理论依据[2]。

1 截止阀流道模型

1.1 几何模型

截止阀结构如图1 所示，其公称直径为100 mm，总长为560 mm，公称压力为10 MPa，介质从右侧管道入口流入，经过支持套、阀瓣、阀座，从左侧出口管道流出。用建模软件建立截止阀的三维模型，并抽取出其流道模型，然后使用ANSYS Workbench 平台中的网格划分工具，对截止阀流道模型进行网格划分，其中带有节流结构的支持套和阀瓣是阀门控制流量及压力的核心部件，为了提高仿真计算的精度，需要对节流装置附近的流道进行网格加密，共计划分610 321 个单元，截止阀流道有限元模型如图2 所示。

图1 截止阀结构

图2 流道有限元模型

1.2 湍流模型

工程实际应用中，介质流动状态一般为湍流，流动情况高度复杂，且流动速度、方向随机变化，各流动层相互掺杂。在涉及湍流的计算中，要对介质建立适当的湍流模型，以保证仿真分析更接近实际情况。本次分析采用标准k-ε模型。

1.3 控制方程

流体介质流动情况遵循物理守恒定律，CFD 分析原理是通过建立相应的控制方程，采用数值计算和图像处理功能，求解复杂的流场问题。本文三维流动模拟采用雷诺N-S方程和标准k-ε模型进行数值模拟。

2 数值模拟及结果分析

2.1 边界条件及参数设置

截止阀流场特性分析的求解思路采用稳态计算方法，在计算前给定阀门的开口开度，然后在固定开度下对截止阀进行流场计算，流道模型是阀瓣开启到最大高度的状态，边界条件设置为：速度进口的速度为10 m•s-1，压力出口的压强为10 MPa，流体介质为气体，壁面设置为固壁边界条件，压力-速度耦合采用SIMPLE 算法[3]。

2.2 模拟结果分析

计算迭代收敛后，在Workbench 平台后处理软件CFD-Post 中读取结果，并可视化处理数值模拟计算的结果信息，包括压力、速度、路径等，通过数据分析，可以获得阀门各种工作状态下的流场特性。

2.2.1 速度分布

流道内介质处于稳态时，截止阀XZ、YZ 截面速度分布矢量图如图3 所示，由图3 可以看出，阀内流动状态比较稳定，介质从右侧管道流入，经支持套节流孔流入阀瓣下方的阀座，再从左侧管道流出。由于入口管道向上倾斜的结构特点，阀入口的下方有低速区，在流体流过支持套圆周分布的节流孔时，入口侧速度较高。流体通过支持套和阀瓣后，在阀座左下方形成一个高速区，阀体下侧偏向入口处的一侧形成低速区，此处流道介质流动状态差别较大。介质到达出口段时，此处流道的介质集中在管道的下侧，形成高速区，从而对流道壁面形成冲刷，此时整个出口段速度梯度较大，会产生一定的流动损失。

图3 流场速度矢量图

2.2.2 压力分布

截止阀XZ、YZ 截面压力云图如图4 所示，由图4 可知，截止阀进出口压力分布比较均匀，阀体部分压力变化大，进出口压力差较大，并且阀体上部压力梯度较大，XZ 截面两侧压力大于YZ 截面两侧压力。另外，阀体中间区域压力梯度变化较大，这是由于流体通过支持套节流口后形成对流，从而产生了该压力分布特点。

图4 流道压力图

2.2.3 流动特征

根据后处理结果的压力、速度、流体路径图，反映出了流体在阀门内的运动状态和趋势，阀门右侧管道入口段流动状态稳定，介质流过支持套节流孔后，在阀体内流动情况变得较复杂，形成了明显的对流区，并在阀体右下部形成涡流，由于此处流速较低，涡流容易形成湍动，从而引起流动能量损失和阀体振动。在出口段，流体的对流情况逐渐变弱，但受阀体内对流情况的影响，在出口段流道上部会出现涡流，由于此处介质流速底，涡流的反向流动会影响主流流动，从而使流阻变大，造成水头损失[4]。

3 结论

针对电动截止阀的工作状态特点，用计算流体力学理论，模拟截止阀流场的压力、速度、路径等流场特性，其中支持套均布的节流孔可减少介质对阀瓣的冲刷和腐蚀，但会使介质流过节流口后形成较复杂的对流。由于阀体下半部分曲率半径较大，会使阀体右下部和出口段上部出现漩涡，因此在设计阀门时可考虑合理设置此处曲率，以减小涡流范围，减少流阻，降低流动损失，提升阀门性能。