包玉霞++趙全成

摘 要：為了得到旋啟式止回閥的最大流量和在不同流量下的壓力損失曲線，采用了計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，根據(jù)止回閥的工作原理，建立了該閥全開(kāi)狀態(tài)下的三維有限元模型，并利用Fluent軟件中提供的計(jì)算方法和物理模型進(jìn)行了非定常的數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了閥門內(nèi)部流場(chǎng)的壓力云圖、速度矢量圖和不同流量下的壓力損失曲線圖。結(jié)果表明，該閥在全開(kāi)狀態(tài)下流動(dòng)平穩(wěn)、壓力損失小、閥瓣后方出現(xiàn)了較小的漩渦、沒(méi)有負(fù)壓出現(xiàn)，此研究結(jié)果為止回閥的設(shè)計(jì)改造提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：旋啟式止回閥；壓力損失曲線；流體動(dòng)力學(xué)；Fluent

中圖分類號(hào)：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.18.105

目前，國(guó)內(nèi)使用最普遍的是旋啟式止回閥，其閥瓣動(dòng)作主要受流動(dòng)介質(zhì)的控制，在閥門關(guān)閉瞬間介質(zhì)為反向流動(dòng)，易產(chǎn)生對(duì)管道系統(tǒng)起破壞作用的水錘現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，了解止回閥的流量特性和工作特性對(duì)充分利用該閥起著非常大的作用，而用試驗(yàn)的方法不僅成本高、操作困難，而且還需較長(zhǎng)的時(shí)間才能完成。因此，本文利用流場(chǎng)仿真軟件Fluent對(duì)某型號(hào)的旋啟式止回閥進(jìn)行全三維瞬態(tài)數(shù)值模擬計(jì)算，得到了該閥全開(kāi)狀態(tài)下的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和壓力流量變化曲線。這不僅節(jié)約了成本、縮短了設(shè)計(jì)周期，還大大減少了不必要的損耗，為旋啟式止回閥的設(shè)計(jì)和計(jì)算提供了可靠的依據(jù)。

1 旋啟式止回閥的結(jié)構(gòu)及其工作原理

旋啟式止回閥主要由閥蓋、閥體、閥座、閥瓣、搖臂、閥桿、支架和銷軸等零件組成。閥瓣由搖桿帶動(dòng)繞銷軸旋轉(zhuǎn)啟閉，閥座一般采用5°～10°的傾斜密封面，中腔為高壓金屬密封或填料復(fù)合型密封，銷軸孔可能發(fā)生外漏，因此，采用了內(nèi)裝搖臂旋啟式結(jié)構(gòu)。

該閥的設(shè)計(jì)條件為：公稱通徑DN=150 mm，公稱壓力P=5.42 MPa，最高工作溫度t=250 ℃。

當(dāng)介質(zhì)通過(guò)旋啟式止回閥時(shí)，閥瓣上介質(zhì)靜壓力與沖量共同作用使閥瓣開(kāi)啟，介質(zhì)通過(guò)流道，由于閥瓣的阻尼作用，會(huì)在閥瓣前、后形成一定的壓力差。在介質(zhì)沖量與壓力差的共同作用下，閥瓣克服因重力而產(chǎn)生的關(guān)閉力矩和銷軸與搖臂之間的旋轉(zhuǎn)力矩，繼續(xù)做開(kāi)啟運(yùn)動(dòng)，直到搖臂端面與閥體接觸。此時(shí)，閥瓣處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，基本維持在該位置不動(dòng)。此過(guò)程的作用時(shí)間非常短暫，一般在0.2 s左右。當(dāng)意外停泵、壓力減小和流速減慢時(shí)，由于關(guān)閉力矩大于介質(zhì)沖量與壓力差的合力矩，導(dǎo)致閥門做關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，但因關(guān)閉行程較短，閥瓣關(guān)閉迅速到位，流體的回流受到限制，回流速度很慢，進(jìn)而減小了水錘的破壞力，保護(hù)了機(jī)械設(shè)備和管道。

2 旋啟式止回閥的開(kāi)啟壓力

對(duì)啟閉件（搖臂與閥瓣的組合）進(jìn)行受力分析，由于閥瓣在開(kāi)啟過(guò)程中受到的液動(dòng)力較小，因此，在此計(jì)算過(guò)程中忽略液動(dòng)力的影響。

閥瓣的受力面積S=0.0254 m2；啟閉件的材料為INCONEL 625；密度ρ=8 400 kg/m3；體積V=852 491.771 9 mm3。因此，其所受重力G=70.23 N。

重力G和氣體壓力F對(duì)應(yīng)的力臂表達(dá)式為：

. （1）

由力矩平衡方程可得：

Glg-Flf=0. （2）

將式（2）變換得：

. （3）

則：

. （4）

利用MATLAB仿真軟件繪制的回轉(zhuǎn)角α與氣體壓力F之間的變化曲線如圖1所示。

圖1 氣體壓力F與回轉(zhuǎn)角α之間的變化曲線圖

由圖1可看出，隨著回轉(zhuǎn)角α的不斷增大，氣體壓力F也隨之增大，該曲線類似于對(duì)數(shù)函數(shù)的增長(zhǎng)方式。當(dāng)α=83°，即閥的開(kāi)度為最大時(shí)，f（α）有最大值，其值為1.017. 因此，在止回閥完全開(kāi)啟時(shí)，其所需壓力的最大值F=71.424 N，啟閉件實(shí)際所受的氣體壓力值F0=1.22×105 N。

綜上所述，止回閥在該工作條件下閥口處于完全開(kāi)啟狀態(tài)，而止回閥閥口開(kāi)度最大時(shí)所需的壓力差值P0=2 808.21 Pa。

3 數(shù)值模擬及其結(jié)果分析

3.1 旋啟式止回閥最大流量的計(jì)算

聲音在氧氣內(nèi)的傳播速度的計(jì)算公式為：

. （5）

式（5）中：k為比熱比；R為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。

將具體數(shù)據(jù)代入式（5）中得：C=404.68 m/s。

由已知的峰值流量Q=14 087 Nm3/h可得到最大入口速度v=7.63 m/s，馬赫數(shù)Ma=0.019，該值<0.3，因此，忽略氧氣壓縮性的影響，按不可壓縮流體處理介質(zhì)。氣體通過(guò)薄壁小孔的質(zhì)量流量公式為：

. （6）

式（6）中：qm為最大流量；A0為過(guò)流面積；T1為初始時(shí)刻的溫度。

將P1=4.79 MPa、△P=P1-P2代入式（6）得：

. （7）

. （8）

再次利用MATLAB仿真軟件繪制的不同壓力損失下的變化曲線如圖2所示。

圖2 利用MATLAB仿真軟件繪制的不同壓力損失下的變化曲線圖

當(dāng)? p =0.02 Mpa時(shí)，f（△p）達(dá)到最大值0.308 9，根據(jù)流體力學(xué)原理，最大流量出現(xiàn)在壓力損失最大的時(shí)刻；在Fluent中計(jì)算得到最大的體積流量qv=0.502 5 m3/s，換算成標(biāo)準(zhǔn)狀況（工業(yè)氣體的標(biāo)準(zhǔn)狀況，即溫度為20 ℃，壓力為0.101 325 MPa）下的體積流量為55 199 Mm3/h。在式（6）中，用有效面積S=0.018 136 64 m2代替P1=4 790 000 Pa、P2=4 770 000 Pa、T1=180 ℃和CA0，計(jì)算得到最大質(zhì)量流量qm=20.94 kg/s，而由仿真計(jì)算得到的最大質(zhì)量流量為qm0=20.85 kg/s。質(zhì)量流量的誤差變化率為η=0.43%.

由于質(zhì)量流量計(jì)算具有一般性，因此，出現(xiàn)誤差是必然的，但0.43%的誤差變化率在可接受的范圍內(nèi)。

3.2 不同流量下壓力損失的計(jì)算

利用流場(chǎng)仿真軟件Fluent對(duì)該旋啟式止回閥全開(kāi)狀態(tài)下的三維有限元模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，分別設(shè)置了12組不同的入口速度和相同出口壓力的邊界條件。為了提高計(jì)算精度，離散格式中選擇二階微分格式。針對(duì)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性問(wèn)題，在保證動(dòng)網(wǎng)格質(zhì)量的基礎(chǔ)上，分別對(duì)止回閥進(jìn)行了不同密度的網(wǎng)格劃分，結(jié)果證明，不存在實(shí)質(zhì)性差異。

圖3 不同流量下的壓力損失變化曲線圖

由圖3中可看出，在全開(kāi)狀態(tài)下，該止回閥的壓力損失與不同流量之間的變化曲線呈指數(shù)函數(shù)曲線的形狀增長(zhǎng)。當(dāng)入口流量<15 000 Nm3/h時(shí)，隨著流量的增加，壓力損失的變化率逐漸降低；當(dāng)入口流量>15 000 Nm3/h時(shí)，隨著流量的增加，壓力損失的變化率逐漸提高。

3.3 壓力云圖分析

選取標(biāo)準(zhǔn)狀況體積流量為45 198 Nm3/h的入口邊界條件所對(duì)應(yīng)的壓力云圖中，局部的最小壓力值為4.76 MPa，最大壓力值為4.78 MPa，壓力變化范圍為0.02 MPa，局部拐角處的壓力值為4.76 MPa。從入口到閥瓣正下方，壓力云圖保持恒定值；閥瓣正下方出現(xiàn)壓力梯度，靠近閥瓣區(qū)域的壓力最大，遠(yuǎn)離閥瓣處的壓力先減小、后增大，但壓力變化幅度不足0.01 MPa；從閥瓣下方到出口處的壓力保持恒定值，經(jīng)閥瓣前方的過(guò)渡處后壓力仍保持恒定值，入、出口的最大壓力差值為0.01 MPa；在閥瓣上端，壓力值基本維持在4.77 MPa，而閥瓣下側(cè)的壓力值為4.783 087 MPa，大于上側(cè)的壓力。因此，閥瓣固定在該位置不動(dòng)，對(duì)流體的流動(dòng)沒(méi)有造成任何影響。

3.4 速度矢量圖分析

體積流量為45 193 Nm3/h下的入口邊界條件所對(duì)應(yīng)的整個(gè)流域中速度的最大值為28.3 m/s，最小值為0.006 13 m/s，近似為0.從整個(gè)流域看，流體主要在入、出口的通道中流動(dòng)，雖然閥瓣上側(cè)有流體流動(dòng)，但流動(dòng)區(qū)域較??；在閥座的上、下兩端出現(xiàn)了局部的漩渦區(qū)，但漩渦區(qū)的速度基本為0，不會(huì)對(duì)閥座造成沖擊影響；由于搖臂與閥體兩端接觸，中間出現(xiàn)了很小的縫隙，閥瓣上側(cè)的流量只能從該縫隙中流過(guò)，因此，縫隙中的流體流動(dòng)比較湍急；過(guò)渡區(qū)的流速較快，但流動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)漩渦現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)啟閉件進(jìn)行受力分析，并通過(guò)求解力矩平衡方程得到了該止回閥達(dá)到全開(kāi)狀態(tài)時(shí)所需要的壓力值為2 808 Pa；通過(guò)理論計(jì)算公式和流場(chǎng)仿真軟件Fluent分別計(jì)算了該止回閥在壓力損失最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的流量值，并經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)流量值的誤差變化率為0.43%，在可接受的范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性；利用Fluent軟件模擬計(jì)算了不同流量下的壓力損失，并繪制了流量壓力損失曲線——該曲線按照指數(shù)函數(shù)曲線的形狀增長(zhǎng)，變化率逐漸提高；止回閥在流動(dòng)過(guò)程中并不存在負(fù)壓，且最大和最小壓力的差值不超過(guò)0.02 MPa，壓力在整個(gè)流域中均勻分布，閥瓣下方的壓力明顯大于閥瓣上方的壓力，因此，閥瓣能穩(wěn)定地與閥體接觸，流體主要在入、出口的圓形通道中流動(dòng)，在閥座的上、下端出現(xiàn)了速度基本為0的漩渦，其對(duì)閥體無(wú)任何沖擊作用，也基本不存在能量損失，在搖臂與閥體之間的縫隙內(nèi)出現(xiàn)面積較小的湍流，但整體流動(dòng)平穩(wěn)。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：張思楠〕