阀芯结构对节流截止阀流阻特性和内部流动特性的影响_崔宝玲

第 51 卷第 12 期 2015 年 6 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vol.51 No.12 Jun. 2 0 1 5 DOI：10.3901/JME.2015.12.178 阀芯结构对节流截止阀流阻特性和内部 流动特性的影响* 崔宝玲 马光飞 王慧杰 林 哲 尚照辉 (浙江理工大学浙江省流体传输技术研究重点实验室 杭州 310018) 摘要：为探索阀芯结构对节流截止阀性能的影响，基于有限体积法和标准 k- 湍流模型，在不同开度条件下，采用数值模拟 的方法，研究平底、梯形和弧形三种不同阀芯结构节流截止阀的流阻特性，分析阀内部的速度和压力分布规律；并对三种阀 芯结构的节流截止阀的流阻特性开展水力试验研究， 数值模拟得到的阀门流量系数和流阻系数的结果与水力试验结果比较吻 合。结果表明，在开度小于 40%时，梯形和弧形阀芯结构的阀门较平底阀芯结构的阀门内部低压回流区有所减弱，压力分布 趋于均匀， 阀门流阻系数减小， 更有利于阀门内部流体的流通； 当开度大于 55%时， 三种阀芯结构的阀门流阻系数基本重合， 并趋近与零；在整个开度，弧形阀芯结构的阀门流量随阀门开度变化较为均匀，更有利于阀门流量的调节。 关键词：节流截止阀；试验测试；数值模拟；流量系数；流阻系数 中图分类号：TH38 Influence of Valve Core Structure on Flow Resistance Characteristics and Internal Flow Field of Throttling Stop Valve CUI Baoling MA Guangfei WANG Huijie LIN Zhe SHANG Zhaohui (The Zhejiang Provincial Key Laboratory of Fluid Transmission Technology, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018) Abstract：To study the influence of valve core structure on throttling stop valve, the numerical simulation of flow field in the valve with flat bottom, Trapezoid and Arc valve core structure under different valve opening are computed based on finite volume method and standard k- turbulence model. The speed and pressure distribution in valve are analyzed. And hydraulic experimental test is carried out to obtain flow resistance characteristics. The flow coefficient and flow resistance coefficient of numerical methods basically agree with ones of hydraulic experiment. The results show that the low-pressure backflow area in valve with Trapezoid valve core and arc valve core are decreased, the pressure distribution tends to be uniform, and the flow resistance coefficient decreases when the opening is less than 40%. It is more conducive for the fluid through the valve. When the opening is more than 55%, valve flow resistance coefficient of three throttling stop valve close to zero are basically the same. For all opening, the flow of valve with Arc valve core is more uniformity and it has better control performance. Key words：throttle stop valve；experimental test；numerical simulation；flow coefficient；flow resistance coefficient 0 前言1 阀门是管道流动中重要的控制元件，具有截 止、调节、防止逆流和稳压等功能。在阀门的使用 过程中，当流体通过阀门流道时将产生诸如旋涡、 空化和水锤等复杂流动现象。这些复杂流动不仅严 * 国家自然科学基金(21276241)和浙江理工大学 521 人才资助项目。 20140618 收到初稿，20150119 收到修改稿 重危害管道的使用，同时还影响阀门流道局部水头 损失。因此，国内外学者利用试验和数值模拟方法 对阀门开展了大量的研究，并取得了一些有益的成 果1-5。 节流截止阀作为一种特殊的阀门，结合了截止 阀与节流阀两种阀门的优点，既有截止阀的密封功 能又有节流阀的调节作用6。然而，国内外对于节 流截止阀研究很少，大部分的研究都是针对单独的 节流阀或截止阀开展。袁新明等7采用 RNG k- 湍 月 2015 年 6 月 崔宝玲等：阀芯结构对节流截止阀流阻特性和内部流动特性的影响 179 流模型对斜进口与弯型进口的截止阀进行了数值模 拟研究，并与粒子成像流速仪获得的弯型进口截止 阀对称面内部流动进行对比验证。结果表明截止阀 中水流产生的涡旋、分离流、二次流和强烈的紊动 是截止阀水头损失的主要原因，而斜进口的截止阀 相对弯型进口的截止阀可以减小阀门的水头损失。 PALAU-SALVADOR 等8对截止阀进行了试验和数 值模拟研究，验证了数值模拟方法的准确性。在此 基础上对原截止阀阀芯及阀芯周围流道进行优化。 结果表明，优化后的阀门流量系数明显增加，且在 小开度情况下，阀芯处最大流速变小，阀门的抗气 蚀性能增加。CHERN 等9针对截止阀的气蚀现象， 分析气蚀对阀内部结构破坏原理，提出了在阀芯处 增加有孔套筒结构，并通过数值模拟方法对带有套 筒结构和不带有套筒结构的阀门气蚀性能进行了预 测。结果表明带有套筒结构的阀门气蚀性能明显优 于不带有套筒结构的阀门，套筒结构可以降低气蚀 对阀内件的破坏。RAFIEE 等10运用计算流体力学 (Computational fluid dynamics, CFD)数值模拟和试 验的方法，分析了涡流管中节流阀阀芯的长度对管 路中涡能量的影响。结果表明，在节流阀阀芯为 6 mm 时，涡流产生的能量最小，节流阀损失最小。 虽然上述文献很少针对节流截止阀，但是其研 究方法和研究结果为本论文的开展提供了很好的 借鉴。 本文主要采用数值模拟和试验研究两种方法 对三种不同阀芯结构的节流截止阀进行研究，利用 FLUENT软件对不同阀芯结构的阀内流场进行数值 模拟计算， 分析了不同开度下阀的内部流场(速度分 布、压力分布及漩涡等)，并且结合试验对阀门的流 阻特性即流量系数与流阻系数进行研究，为节流截 止阀内流道结构和阀芯结构的优化设计提供理论 参考。 1 研究方法 1.1 计算几何模型与网格划分 本文采用的节流截止阀结构如图 1 所示，阀门 左侧为流体进口， 通过法兰与耐压抗蚀的阀体连接， 出口与其他设备的管路连接。其中，阀门口径 50 mmd ，流道半径 15 mmr ，阀芯开度 h 为可 变的参数。 图 1 节流截止阀及阀芯结构图 1. 阀杆 2. 阀盖 3. 阀套 4. 阀瓣 5. 节流塞 6. 阀体 7. 手轮 文中在传统平底阀芯的基础上设计了梯形阀 芯和弧形阀芯两种阀芯结构，对比分析阀芯结构变 化对阀门流阻特性曲线及内部流场的影响。研究的 三种阀芯结构的阀门流道中心剖面如图 2 所示。 图 2 阀门流道结构中心断面图 机 械 工 程 学 报 第 51 卷第 12 期期 180 采用 GAMBIT 软件对计算区域进行网格划分。 取阀门的上游管道长度为 3D(D 为管道直径)，下游 管道长度为 5D 作为计算域。阀门内部流道的计算 网格如图 3 所示。管道与阀门均采用非结构四面体 网格， 网格总数约为 60 万， 采用自适应的网格技术 对流场进行调整使其模拟出更加精细的流动。 图 3 阀门全流道网格图 1.2 数值计算 在数值模拟中，采用收敛性和精确性符合工程 计算要求的标准 k- 双方程湍流模型构成封闭方程 组，利用有限体积法对控制方程组进行离散11。同 时假设阀门内部流体介质为水， 温度为常温 25 ， 并忽略重力对流场的影响。进口边界为压力进口， 大小为 0.5 MPa，出口边界为压力出口，大小为 0.1 MPa。三种不同结构的阀门模型计算均采用二阶迎 风格式离散，速度与压力之间的耦合计算采用 SIMPLE 算法实现，各项的收敛残差为 0.000 1。 1.3 试验方案 阀门试验在可控循环供水试验装置上开展。试 验装置如图 4 所示，包括水箱、泵机组、循环管路 和 待 测 阀 门 四 大 部 分 。 待 测 阀 门 上 游 装 有 ZDRO-16P 型进口调节阀， IFC100W 型流量计(量程 为 060 m3/h， 精度为 0.5 等级)和 CEMPX213 型压 力传感器(量程为 01 MPa，精度为 0.2 等级)，用 于调节和测量流量与阀前压力；待测阀门下游装有 同一型号的压力传感器及出口调节阀，用于测量和 调节阀后压力。每次测试之前，先利用 2SA8521- FDA00-0002 型电动执行结构将待测阀门调到相应 图 4 阀门性能测试试验台 的开度，然后通过调节进出口调节阀开度，确保待 测阀门上下游压力分别为 0.5 MPa 和 0.1 MPa，最 后待流量稳定后进行测量。试验中整个循环管路始 终充满工作介质(清水)，并且水箱自由液面高度高 于待测阀门和整个管路系统。 2 结果与分析 2.1 流阻特性分析 流阻特性是阀门内部流动的外在表现，是衡量 阀门的主要性能参数，包括流量系数和阻力系数。 流量系数 vV Kq p (1) 式中，p 为测试阀压力损失，Pa； V q为体积流量， m3/h；为介质密度，kg/m3。 为了便于分析，以阀门全开状态状态下的流量 系数值为基准，进行归一化处理，得到相对流量系 数， 结果如图 5 所示。 从图 5 可以看出， 开度在 0 40%工作时，平底形阀门流量变化比较小，调节平 稳缓和；梯形阀门的流量变化相对较大，但是变化 较为均匀。阀门在开度 50%60%工作时，平底形 阀门流量变化很大，调节作用强，易产生超调， 图 5 节流截止阀流量系数特性曲线 月 2015 年 6 月 崔宝玲等：阀芯结构对节流截止阀流阻特性和内部流动特性的影响 181 引起振荡；而梯形阀门调节变化逐渐变小，调节变 化较为平稳。在 70%100%开度工作时， 平底形阀 门和梯形阀门的流量相对变化都变小，调节太弱， 不能够及时调节。在整个开度期间，弧形阀门的流 量相对变化较为均匀，在小于 40%的开度下变化相 对较大，在大于 50%的开度下变化相对较小。 流阻系数 2 2p v (2) 式中，v为介质在管道中流速，m/s。 图 6 是三种不同阀芯阀门的流阻系数曲线。从 图 6 可以看出： 三种不同阀芯阀门流阻系数的测 试结果和数值模拟的结果趋势基本一致，在小开度 情况下，由于测量误差和实际管路中法兰连接等处 的简化使试验测试中的流阻系数明显大于数值模拟 中的流阻系数， 然而阀门开度达到一定时(20%)， 两 者的阀门流阻系数曲线基本重合； 三种阀门的流 阻系数都随着阀门开度的增加而呈指数减小， 其中， 平底形阀门的流阻系数变化最剧烈， 梯形阀门次之， 弧形阀门下降最平缓。当开度达到 55%时，三者的 流阻系数基本重合，并趋近于零。说明在小开度条 件下，弧形阀芯结构的阀门更有利于流体的流动， 随着开度增加，当开度达到 55%时，三种阀门的流 通能力基本一样。 图 6 节流截止阀流阻系数曲线 2.2 内部流动分析 阀门内部流动特性决定了其工作性能，限于篇 幅，这里给出了三种具有代表性的开度(8%开度、 40%开度和 80%开度)下流道内部的压力云图、 速度 云图和流线图，分别如图 79 所示。 图 7 为不同开度下阀门的压力分布云图。从图 7 可以看出，阀门在开度较小的情况下，阀芯底部 的压力很高，顶部的压力较小，在阀芯底部边缘处 存在较大的压力梯度，其中，平底形阀芯底部边缘 处的压力变化最大，梯形次之，弧形最小。同时， 随着开度的增加，在阀芯底部靠近出口处出现小面 积的低压区，而在阀芯靠近出口处周围也出现了不 同程度的低压区域，并且向阀门出口段移动，这是 机 械 工 程 学 报 第 51 卷第 12 期期 182 图 7 阀门流道中心剖面压力云图 由于阀门过流面积随着开度的增加而增大所导致； 从图 7 中还可以看出，与平底形阀门相比，梯形和 弧形阀门的压力分布更加均匀，从而可以更有效保 护阀芯，提高阀门的使用寿命。 图 8 为不同开度下阀门的速度分布云图。从图 8 可以看出，对于三种阀门结构，在小开度的情况 下，阀门出口和管道连接部位都存在一个较小的高 流速区域，该高速流动区域的将会导致管道上部受 到流体的冲击；随着开度的增加，在阀门的进口端 至出口端形成了一个流速较高的流速带，并且出口 图 8 阀门流道中心剖面速度云图 月 2015 年 6 月 崔宝玲等：阀芯结构对节流截止阀流阻特性和内部流动特性的影响 183 端的高流速带随着阀门开度的增加沿管道逐渐下 移；与平底形阀门和梯形阀门相比较，弧形阀门能 够在小开度的情况下将阀门的流速分布区域快速延 伸到较大的范围内，这样有助于减少流速过高对阀 门的冲击。 图 9 为不同开度下阀门的流线图。当阀门开度 较小时，平底形阀芯内部存在较多的回流区，形成 大量漩涡，而梯形和弧形阀芯内部的漩涡较少；随 着阀门开度的增加，平底形阀门内部的漩涡区明显 减少，而梯形和弧形阀芯内部的漩涡区则呈增加的 趋势，其中以梯形阀芯最为明显。说明了小开度 情况下，梯形和弧形阀门能够较好地抑制对阀门 内部漩涡的产生，而大开度时则会促进阀内漩涡的 产生。 图 9 阀门阀芯部位的流线图 3 结论 通过对比三种不同阀芯结构阀门的流阻特性 的试验测试和数值模拟结果，发现三种不同阀芯结 构阀门的流量随开度的变化存在显著差异。 (1) 在小开度情况下，弧形结构和梯形结构阀 芯的阀门较平底结构阀芯的阀门，有效地改善了流 道内的压力分布， 将阀门内部流速较高的区域拓宽， 使流体对阀门的冲击向后延伸出去，避免了局部高 速区，减少了回流，降低了流体对阀门的冲击，提 高了阀门的使用寿命。 (2) 在整个开度期间，弧形阀门的流量整体相 对变化较为均匀，增加了阀门的可调控性能，同时 也降低了阀门的阻力系数，更有利于流体介质在阀 门内部的流通，使阀门的流通能力得到提高，阀门 机 械 工 程 学 报 第 51 卷第 12 期期 184 的性能得到了相应的改善。 参 考 文 献 1 CHO T D，YANG Sangmin，LEE H Y，et al. 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