WORKBENCH對旋啟式止回閥流體分析的研究

汪小峰，雷鵬，馮立斌

（英諾威閥業有限公司，安徽 銅陵 244121）

WORKBENCH對旋啟式止回閥流體分析的研究

汪小峰，雷鵬，馮立斌

（英諾威閥業有限公司，安徽 銅陵 244121）

流動特性及相應參數對旋啟式止回閥的應用研究作用大，基于計算流體力學（CFD），結合FLUENT軟件，對旋啟式止回閥進行數值計算，得出止回閥內流體的速度分布、壓力分布等流動特性參數。

旋啟式；止回閥；流動特性

旋啟式止回閥又叫做單向閥或者逆止閥，主要作用是防止管路中的介質倒流，防止事故發生。對于結構復雜的止回閥管路來說，流體流動特性對于閥門的使用情況會產生一定的影響，因此對止回閥內流體流動的分析模擬計算非常重要。

利用CAE分析方法對工程相關的流體流動進行仿真分析計算，已經成為一種重要的分析研究方法，仿真計算可以縮短整體試驗設計流程，減少成本，是智能化設計的重要環節，近年來得到了廣泛的研究和應用。

1 建?；A

流體有限元計算的理論基礎是三大方程，分別是連續性方程、能量方程和動量方程，以計算機為基礎的流體力學叫做計算流體力學（CFD），也就是利用計算機為終端，利用程序模擬手段，讓各種復雜的流體問題進行離散化求解。

Ansys Fluent是非常著名的CFD計算軟件，在計算過程中，首先需要進行數學模型的建立，對研究的止回閥模型進行物理建模，進行計算前的分析假設，首先需要考慮各類邊界條件，是無粘流動還是粘性流動，是可壓縮流體還是不可壓縮流體，還要考慮是否為非定常流動，有旋或者無旋以及層流湍流情況，在計算前期，還要對研究的流體實體進行CAD模型的建立、模型導入以及微小處理。

流體的任何流動都需要滿足連續方程和運動微分方程組，還包括能量方程、狀態方程、密度方程等。在封閉方程組的前提下，為了能夠得到確定解，還必須給出相應的定解條件，所設置的起始條件和邊界條件均不同，而且在空間上任何邊界的設置都必須滿足邊界條件的收斂情況。實際流體中，流體流動多為湍流，而商用軟件內部植入了豐富的湍流模型用于計算分析。

網格的劃分在數值模擬的過程中至關重要，工程上的問題多發生在復雜的區域內，不規則區域內網格的生成也是計算流體力學中一個非常重要的分支。網格質量對數值計算結果的影響十分巨大，在流體計算中，非結構化和混合網格的使用最為頻繁。

在CFD計算過程中，需要把N-S偏微分方程轉化為網絡劃分后各個節點的代數方程，該方程主包含該節點及附近節點上所顯示的函數值，形成離散方程組。離散方程組用于對連續問題的求解，讓無限自由度轉化為有限自由度從而得到相應的結果。

2 計算過程

首先進行計算的條件設置，采用不可壓縮流動的雷諾時均方程組，湍流模型采用標準κ-ε模型；計算過程中，所有方程中的對流項均用二階迎風格式離散，離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法（SMPLE算法）。設置管壁粗糙度等數值，并將連續性方程和動量方程收斂殘差標準設為10-4，提高計算精確度，開度從6～60，共10個變化區間。

此次分析過程中均將入口條件設置為質量流入口邊界條件，出口條件為自由邊界。

設置旋啟式止回閥內部流動介質為水（軟件默認水的狀態為20℃），為了簡化計算，選擇流動模型為單相流體不可壓縮三維粘性流動，采用不可壓縮流動的雷諾方程與κ-ε湍流模型構成封閉的方程來求解。

在創建流體分析用計算域模型時，緊緊結合JB/ T5296-91標準，取止回閥及其前部管道L1=5D為管道直徑與其后部管道為L2=10D一同作為計算域，網格劃分采用了非結構混合網格技術以及自適應網格技術，以保證網格質量，閥門模型部分區域進行了加密處理，以保證計算結果的準確性，如圖1所示為本文模型的部分網格劃分情況。

3 計算結果分析

圖1 管道模型網格劃分

FLUENT的后處理模塊可以對計算結果呈現非常直觀的現實，求解過程完成之后，進入軟件后處理模塊，得到相應的結果。開度為6°時的速度分布云圖以及壓力分布云圖如圖2、3。

圖2 開度6°速度云圖

圖3 開度6°壓力云圖

由圖可知，在開度較小的情況下，壓力損失主要形成在密封面處，介質流速增大，而大部分的介質是從密封面間隙的下側通過閥門。

隨著開度逐漸增大以及入口邊界條件流量的增大，大部分介質主要是通過密封面的下側間隙，閥腔的下側表面易受到沖刷。而有所區別的是在閥座的上端出現了高壓區，這個高壓區的形成容易對閥座的密封面造成損壞。由計算結果可知，隨著開度的進一步增大，流體速度在閥內中下部最大，速度達到邊界定點，而隨著流體速度的增大，相應位置處的壓力則減小，可知速度和壓力的結果呈現相反趨勢。

4 計算旋啟式止回閥特性參數

計算結果不僅可以得到整個流體計算域的速度、壓力情況，根據入口壓力的大小，可以得到不同開度下入口和出口的壓差值，結合FLUENT軟件進行特性參數與計算，根據JB/T5296-91標準，進一步計算出流量系數Kv值與流阻系數K值。得到的分析結果制如圖4。

圖4 不同開度下的Kv和K值

由結果可知，在不同的開度下，流量系數呈現增大趨勢，但變化切度呈現降低趨勢，而相對來說，流阻系數則呈現降低趨勢，隨著開度的增加，下降切度呈現變小趨勢。

5 結語

CAE分析計算對工程應用有著重要的作用，旋啟式止回閥作為重要的機械部件，未來的研究會更加倚重前期的設計計算，通過對不同開度下的止回閥流動特性計算，得出相應的速度、壓力結果，結合輸出計算，得到不同開度下的流阻系數、流量系數，相應的計算結果為未來更智能化的止回閥設計提供了思路。

[1]包玉霞,趙全成．旋啟式止回閥全開狀態下的數值模擬[J]．科技與創新，2015．18．

[2]王宏偉,劉小兵,劉德民．球形止回閥的CFD分析[J]．流體傳動與控制，2009．2．

[3] JB/T5296-91，通用閥門 流量系數和流阻系數的試驗方法[S]．

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1671-0711（2017）08（下）-0154-02