基于OpenFOAM 的旋塞阀流场分析及结构参数的影响

摘要：为了探究锥形旋塞阀内部流体动态特性，需对旋塞阀结构进行优化设计。本文基于k-ε 湍流模型，使用开源软件OpenFOAM、应用PIMPLE 算法、以锥形旋塞阀为研究对象，模拟研究了不同开度、不同阀芯圆角时旋塞阀的流动性能；研究了阀芯关闭过程中随着旋转角度的增加，流体流速、压差、流线、流量系数以及阻力系数等参数的变化规律，并绘制了相关曲线；对比分析了不同圆角半径下流体介质的速度、流量系数曲线等参数的变化。结果表明：旋塞阀旋转角度越大，阀门前后压差越大，流量损失也就越大；流量系数随着旋塞阀开度的增加而减小，且在相同开度下随着阀芯圆角半径的增加而增大。

关键词：旋塞阀；OpenFOAM；流场分析；结构参数；流量系数

中图分类号：TH137.52+3 文献标志码：A

旋塞阀具有安全性高、密封性可靠、启闭迅速等特点，广泛应用于石油天然气输运、废水处理、海水淡化等场合。在旋塞阀启闭过程中，会产生漩涡、空化等现象，导致能量损失，甚至产生振动与噪声。对旋塞阀进行流场分析，研究旋塞阀工作过程的流场分布规律，对其进行结构优化十分必要。

练章华等[1] 推导了旋塞阀开度与转角之间的关系并建立旋塞阀流体通道的CFD 模型，得到了旋塞阀开度与阀芯内壁流体最大冲蚀速度之间的复杂关系曲线及拟合公式。陈宗帅[2] 使用FLUENT 软件对旋塞阀内部流场进行分析，得到了不同开度和不同进口速度对旋塞阀性能的影响。朱锦霞[3] 使用ANSYS 软件研究了流体压力和弹簧力对球阀密封面接触应力的影响和分布规律，并与实验数据进行对比。佘瑶等[4] 使用CFD 软件对不同开度下旋塞阀的流动性能进行了研究，得到了不同开度下的压力分布图、密度分布图等，并探讨了开度大小对阀芯振动与空蚀造成的影响。薛志成等[5] 使用ANSYSFLUENT软件研究了旋塞阀内部的流动规律，对比分析不同位置的流体在旋塞阀中的速度、压力变化，并对易产生空化现象区域进行定位分析。刘长誉等[6] 使用FLUENT 软件对液压阀不同阀口开度下压力、流速分布进行对比分析。李景翠等[7] 使用有限元CFD 软件对旋塞阀的结构强度与启闭特性进行了系统分析，得到了相同入口速度下不同开度的速度云图和最大速度曲线图。张志鹏等[8] 使用OpenFOAM软件对液压阀开度变化引起的流动不稳定性和涡流现象进行了研究。陆俊杰等[9-10] 使用微凸体接触理论，对旋塞阀微观粗糙密封面接触进行受力分析并对其疲劳寿命进行计算。

Outa 等[11] 运用涡流模型和N-S 模拟方法研究了工业旋塞阀空化现象下气泡的流动状态和涡流分布。Kim 等[12] 对不同开度下的旋塞阀进行了流场性能分析，计算了不同开度和阀芯过流口形状下的流量系数和阻力系数，并对过流口形状进行结构优化。Sonawane 等[13] 对不同流量和压降的截止阀进行了CFD 模拟，观察流动模式并测量阀门的出口速度以及流量系数。Dumitrache 等[14-15] 使用有限元CFD软件对锥形旋塞阀开始关闭时的流场进行分析，并对圆孔形和多圆孔形阀芯流道进行了CFD 和流固耦合（FSI）对比分析。Melnikova 等[16] 使用OpenFOAM软件对调节阀进行了不可压缩流体动力学模拟，得到了速度、压力场、作用在阀芯上的应力场等。Chandar等[17] 使用MATLAB 软件研究了阀门的流动情况，模拟了进出口压力差和流量的特征曲线。