基于CFD技术的高压截止阀内流道结构参数的分析

　　运用CFD软件对一种高压截止阀进行了三维数值模拟，对截止阀不同的内流道结构进行流动分析。通过对典型的高压截止阀结构进行建模，借助CFD软件分析了阀门内部流场的流动特性，给出了优化的内流道结构的分析结果及产品设计的理论依据。

1、概述

　　截止阀的内部流道形状结构复杂，流体流动的状况也较复杂。工程设计中截止阀的内流道结构参数主要是参照一些设计手册提供的经验公式和系数估计。而设计手册上根据以往的实验结果归纳得出的经验公式和系数一般并不能很准确地符合具体的产品，真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这是阻碍阀门质量提高的重要原因。由于阀门的几何特性比较复杂，一般很难掌握其内部流态，在设计中经常忽视阀门的流态特性，从而引起较大的能耗。CFD数值模拟技术为准确预测与分析阀门流动特性提供了一条有效的新途径。它不受阀门形状、尺寸和工质限制，既能提供高精度的性能预测，又能显示流场的详细分布，而且比实验测试所需的费用低、周期短。

2、截止阀的物理模型

　　2.1、流域结构模型

　　高压截止阀一般多采用锻造阀体，流道则通过机加工完成。本文中所用计算模型的流域结构及其主要结构尺寸如图1所示。

图1 截止阀的流域结构

　　2.2、基本假设及模型调整

　　为便于公式推导及数值计算，本文对扩散管内部流动作如下假设，流体为连续、不可压缩的理想流体，定常流动，扩散管入口流速均匀，流体与固壁之间无热交换，忽略重力的影响，其他遵从流体力学一般假设。

3、数值建模及网格划分

　　3.1、控制方程

　　本文采用标准k-ε模型进行数值模拟，其控制方程有连续性方程、动量守恒方程(N-S方程)和湍流脉动动能方程。

　　3.2、几何建模与网格划分

　　为保证流场流动充分，在高压截止阀两端均加有长度为5倍直径的直管段。考虑流场的对称性，为便于计算，取流场的一半按对称计算。采用非结构化网格对高压截止阀的流动区域进行网格划分。利用CAD软件建立几何模型，模型结构尺寸如表2所示。通过ACIS或IGES文件格式导入ICEMCFD或GAMBIT中进行网格划分处理。

表2 截止阀模型尺寸

　　3.3、边界条件

　　设定入口为速度入口条件，出口为自由出流，模型满足对称条件则采用对称边界，固壁采用无滑移边界条件(表3)。

表3 边界条件设置

4、CFD计算结果及分析

　　将划分好的网格，设置好边界类型，导出.msh网格文件输入到FLUENT中进行计算。在计算迭代收敛后，将计算结果进行后处理，或导出到后处理软件中进行后处理。图2为计算过程中的残差收敛变化曲线监视图。

　　1.耗散率ε2.湍动能k3.Y向-速度4.X向-速度5.Z向-速度6.连续性(质量流)

图2 残差收敛变化曲线

　　图3所示为截止阀阀瓣开启高度与其流量系数之间的关系曲线图。随着开启高度的增大，流量系数呈递增趋势。当开启高度达到一定值(图中横坐标1.0处)时，其流量系数值则不再增大，反而随着开启高度的继续增大而减小。

图3 截止阀流量系数与开启高度的关系曲线

　　图4所示为截止阀开启高度与阀座直径比为1.2时，其内部流场局部流速矢量图。从图中可以看出，当阀瓣开启高度过高，对于底进上出的流向而言，阀瓣不能起到很好的导流作用，从而导致局部水力损失，影响了阀门整体性能。

图4 开启高度与阀座直径比为1.2时的截止阀内部流场局部流速矢量图

　　图5所示为截止阀阀瓣圆角大小与其流量系数之间的关系曲线图，从图中可以看出圆角的存在可以提高截止阀的流量系数值，但圆角并不是越大越好，圆角越大反而不能起到较好的导流作用若以流量系数为优化目标对象，则对应阀瓣的圆角大小存在着一个最优值。此外，从图中可以看出阀瓣的圆角大小对流量系数的影响较小，在阀门的设计过程中可以作为次要因素考虑。

图5 截止阀阀瓣圆角半径与流量系数的变化关系

5、结语

　　通过对典型高压截止阀结构建模，并借助CFD软件对其内部流场的流动特性进行了分析。结果表明截止阀的流量系数随着阀瓣的开启高度先增大，达到一峰值后则出现下降趋势。此外，截止阀的流量系数还随着阀瓣圆角大小变化呈先增大后减小的变化趋势，且得出阀瓣圆角大小对流量系数的影响较小。通过对截止阀内部流场的CFD分析，可以对截止阀内流道结构参数的设计，提供足够理论依据指导截止阀的优化设计，为降低工业系统中的能耗，提供理论基础。