ANSYS在閥門研發中的應用

雷 鵬，汪小峰，馮立斌

（安徽銅都流體科技股份有限公司，安徽桐城 244000）

ANSYS在閥門研發中的應用

雷 鵬，汪小峰，馮立斌

（安徽銅都流體科技股份有限公司，安徽桐城 244000）

閥門結構較為復雜，在設計過程中需要借助功能性軟件。ANSYS是當前設計閥門最便捷、最有效的軟件，通過ANSYS可對閥門實際情況進行模擬，并對各種結構進行有效演練。ANSYS是當前應用最為廣泛的閥門仿真軟件，就ANSYS在閥門研發設計中的應用展開分析，為閥門研發提供理論基礎。

ANSYS；閥門；研發

當前無論在流體機械或是流體傳動控制系統中，需要使用閥門作為系統構建，在流體系統中閥門主要作用是控制流體的壓力、流量、方向等，使得流體系統可穩定運行。ANSYS已經是當前閥門研發中必不可少的軟件，通過ANSYS可對各種情況進行模擬，控制各項因素。

1 ANSYS模擬低溫環境下閥門研發

1.1 材料的物性參數

該低溫蝶閥主體結構采用特定不銹鋼材質，公稱直徑為DN250，密度為8 000kg/m3。在研發設計中采用長頸閥蓋結構，將填料函隔離在低溫區域外，并選用耐低溫的石墨材料作為填充料，石墨材料一般問柔性石墨。設計計算中取平均導熱率87W/（m·K），平均比熱容為510J/（kg·K），密度為1 530kg/m3。

1.2 瞬間傳熱分析

瞬態平衡表達如下：

實際傳熱中，材料特性參數、邊界條件等與溫度有一定相關性，因此瞬態熱平衡表達式如下：

1.2.1 ANSYS瞬態傳熱分析主要過程

建模：建模時首先需要定義材料屬性，對構成材料的導熱系數、比熱進行科學定義。平均導熱率87W/（m·K），平均比熱容為510J/（kg·K），密度為1 530kg/m3。建模選取網格單元邊長為0.001，并對不同面積定義材料屬性。

1.2.2 瞬態傳熱分析

使用POSTI對模型進行后處理，將熱傳流系數設置為120W/（m3·K），并將冷卻溫度定義為-105℃。將熱傳流系數設置為120W/（m3·K），并將冷卻溫度定義為-105℃時，低溫閥在該環境中開始降溫，由環境溫度降到低溫閥最高溫度-102.4℃共需耗時10 308s。保持其他條件不變，僅改變對流傳熱系數，蝶閥從由環境溫度降到低溫閥最高溫度-102.4℃所需時間隨對流傳熱系數關系。蝶閥從由環境溫度降到低溫閥最高溫度-102.4℃所需時間3次多項公式如下：

T（S）=-0.002 6h3+1.1h2-182.2h+20 250.6法蘭處受到螺栓應力影響其應力集中于閥體與閥頸部相連處，熱應力最大值為0.17GPa，對比與閥體屈服強度1.24GPa相距較遠，屬于彈性形變。

2 基于ANSYS的閥門阻力系數研究

2.1 研究模型

本文以閘閥為例進行ANSYS軟件對閥門阻力系數研究。對閘閥進行模型簡化后只需建立帶有閘板的閘閥通道模型即可。設閘閥下端點為坐標原點建立坐標系，在閘板開度為500情況下其幾何模型見圖1。

圖1 閘板幾何模型

將閥門進口速度與進口壓強作為進口邊界條件，設參考系為絕對參考系，此條件下給予閥門一定均勻流向流體作用，設其垂直于進口面，流速為1、2、3、4、5m/s，進口表面壓強為2kPa。流體在出口處為自由流方式，出口表面壓強為0.固壁質點滿足無滑移，因此壁面速度為0。根據閘閥特點，對其采用k-ξ而方程湍流模型，通過ANSYS軟件對其進行分析，ANSYS軟件中的FLOTRAN CFD可對閥門內部流場特性進行科學模擬。

2.2 閘閥阻力系數計算

設定水溫條件為20℃，此條件下水密度為998.2kg/m3，黏度為100.5μpa.s.設閥門內徑DN50時其開度分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、75%、100%，流速為1、2、3、4、5m/s，模擬此條件下閘閥內部節點壓力場。

根據流體力學可知，閥門阻力特性可定義為：Δp=ξρu2/2。Δp其中為閥門前有壓力差，ξ為阻力系數，u為橫截面處均速，ρ為密度。在此基礎可得到其最低靜壓值，從而計算出阻力系數。若其表面壓強為2kPa。隨著開度不斷增加，其阻力系數減小，若保持開度不變，則阻力系數隨進口速度增大而減小。

選取管徑為（DN25、DN100、DN200）的閘閥進行模擬對比發現，進口速度為3m/s時，進口壓強為2kPa。保持閥門內徑不變，通過軟件分析繪制閘閥阻力系數-開度變化曲線。保持閘閥內徑不變，其阻力系數隨著閘閥開度增加而減小。保持閘閥開度不變，其阻力系數隨著閘閥內徑增加而增大。

2.3 ANSYS模擬阻力系數研發設計結論

通過ANSYS模擬阻力系數，對閥門內部流場進行有效分析，得出研發設計過程中需注重阻力系數的設定，其影響因素包含開度、進口速度、管徑、流速等，得出接近實際的結果，并對結果進行驗證，確保設計科學性。

3 結束語

閥門在生活和工業中有重要應用，其結構性能與其所在系統穩定性及質量息息相關。閥門研發設計需通過ANSYS軟件設定參數，驗證閥門設計各細節部分，不斷進行針對性優化，為閥門研發奠定理論基礎，提高閥門可靠性及穩定性。

[1] 吳若菲.基于ANSYS的LNG船用超低溫閥門的數值模擬分析[J].低溫工程.2012，（1）：41-43.

[2] 鄒鑫。基于ANSYS的閘閥內部流場模擬[J].化工裝備技.2014，（10）：36-43.

[3] 余曉明.基于ANSYS的低溫蝶閥模擬試驗與數據分析[J].低溫工程.2015，（8）：23-27.

Application of ANSYS in Valve R & D

Lei Peng，Wang Xiao-feng，Feng Li-bin

The valve structure is more complicated.In the design process，ANSYS is the most convenient and effective software for the design of the valve.ANSYS can simulate the actual situation of the valve and carry out the effective exercise of the various structures. ANSYS is currently the most widely used valve simulation software，ANSYS in the valve R & D design application analysis，to provide a theoretical basis for valve research and development.

ANSYS；valve；R & D

TH134

A

1003-6490（2017）01-0172-02

2016-12-11

雷鵬（1982—），男，安徽桐城人，工程師，主要研究方為閥門設計。