COSMOSFloWorks在波紋管截止閥流場分析中的應用

費利江 任照玉 唐 勇

（上海華誼集團技術研究院)

COSMOSFloWorks在波紋管截止閥流場分析中的應用

費利江*任照玉 唐 勇

（上海華誼集團技術研究院)

介紹了以COSMOSFloWorks軟件進行流場分析的原理。通過對波紋管閥不同開度下的流場分析，尋求閥門薄弱環節，從而為波紋管閥結構優化設計提供依據。

波紋管截止閥 三維建模 流場分析 COSMOSFloWorks

目前，隨著安全環保節能減排要求的不斷提高，在易燃、易爆及有毒有害產品生產過程中，對其密封性要求更加嚴格。波紋密封閥門可很好地解決跑、冒、滴、漏等問題。但波紋密封閥由于受自身彈性限制，其開啟高度具有一定局限性，開啟過高會影響閥門使用壽命。因此，研究其力學性能來提高閥門的可靠性和使用壽命已成為必要。

閥門的可靠性和使用壽命很難控制，過去對其只能用試驗來判斷，無法用理論進行描述。隨著計算機技術的迅猛發展和有限元分析的不斷深入，國外開發了許多流體有限元分析軟件，如ANSYS、Fluent、COSMOSFloWorks等，這給閥門結構設計的優化提供了一種新的途徑。

1 有限元分析和流動模擬

COSMOSFloWorks軟件是基于先進的計算流體動力學 （CFD）技術的一種分析軟件，它不僅能對流體進行二維和三維分析，穩態和瞬態流分析，對層流、湍流及過渡流分析都適合。該軟件使用方便，簡單易學，并且精度很高。因此，本文對波紋管截止閥采用了Solideworks建立三維分析模型，利用Solidworks公司的COSMOSFloWorks軟件對流道內流體進行有限元分析和流動狀態模擬。

COSMOSFloWorks有限元分析是在流動基本方程 （質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程）的控制下對流動的數值模擬。其數學模型為：

質量守恒方程

式中y——流體某點距壁面的距離。

公式中的RT、Ry考慮到了層流－湍流之間的轉換。

下面兩個附加的傳遞方程是用來描述湍流動力能量及損耗的：

COSMOSFloWorks分析步驟為：

三維模型建立→邊界劃分→邊界條件確定→參數設置→運行分析→顯示分析結果。

在波紋管截止閥不同開啟程度下對流道進行分析比較，分析閥門應力集中點，以對閥門結構的優化提供依據。

（1）三維模型建立

本課題是利用SolidWorks軟件建立三維模型，其前視剖視圖見圖1。其主要由波紋管組件、閥芯、閥體及密封墊片組成。

（2） 分析結果

本文分析是在閥門開啟高度為0.5 mm、1 mm、2 mm情況下進行的，分析流道內壓力、流速及流動狀態。從流速可判斷閥門使用過程中應力集中部位，可對閥結構的優化提供參考。

模擬條件：模擬介質為水，閥門進口流量為36 L/h， 出口壓力為 1大氣壓 （101.325 kPa）， 不考慮流道內因壁面粗糙度引起的流阻。

圖2和圖3所示為閥門開啟高度0.5 mm、流量36 L/h、出口壓力1大氣壓 （101.325 kPa）情況下的壓力、流速及流動狀態。

圖4和圖5所示為閥門開啟高度1 mm、流量36 L/h、出口壓力1大氣壓 （101.325 kPa）情況下的壓力、流速及流動狀態。

圖6和圖7所示為閥門開啟高度0.5 mm、流量36 L/h、出口壓力1大氣壓 （101.325 kPa）情況下的壓力、流速及流動狀態。

圖1 波紋管截止閥三維模型

圖2 開啟高度為0.5 mm時流速在流道內分布

圖3 開啟高度為0.5 mm時流體在流道內流動狀況

圖4 開啟高度為1 mm時流速在流道內分布

圖5 開啟高度為1 mm時流體在流道內流動狀況

圖6 開啟高度為2 mm時流速在流道內分布

圖7 開啟高度為2 mm時流體在流道內流動狀況

根據以上圖顯示，流速在2 m/s以下時，開啟高度2 mm與開啟高度1 mm的流動狀況差別不大，其速度最大點也不在閥芯處，因此，流體對閥芯的沖刷力不是很大。而開啟高度為0.5 mm時，由于閥芯與密封面之間空隙較小，所以其壓差較大，從而使得流速在閥芯靠近出口面處較大，達到12.9 m/s，該處也因此而容易失效，導致內泄漏。因此，在設計時應盡量考慮流速過大對閥芯的影響，以提高閥門的使用壽命。此外，物料輸送時應盡量保持閥門開啟高度為1 mm左右，以延長閥的使用壽命。

2 結論

通過對波紋管截止閥流道的動力學模擬分析，研究了不同開啟高度條件下閥門內壓力、流速的分布情況，分析了閥門易失效點，這對閥門結構的優化設計具有參考意義，有利于提高閥門的使用壽命。

[1]SolidWorks公司.COSMOSFloWorks Fundamentals[M].2006.

[2]王福軍.計算流體動力學分析——CFD軟件原理與應用 [M].北京：清華大學出版社，2004.

[3]楊源泉.閥門設計手冊 [M].北京：機械工業出版社，1992.

[4]葉修梓，陳超祥.SolidWorks 2005基礎教程：零件與裝配體 [M].北京：電子工業出版社，2005.

Application of COSMOSFloWorks in Flow Field Analysis of Bellows Valve

Fei Lijiang Ren Zhaoyu Tang Yong

The article introduced the principle of COSMOSFloWorks for flow field analysis.Through flow field analysis of bellows valve under different opening to find the weakness，and so as to provide a basis for structure optimization design of bellows valve.

Bellows valve;Three-dimension modeling;Flow field analysis;COSMOSFloWorks

TH 134

*費利江，男，1972年生，高級工程師。上海市，200241。

2011-07-15）