船用法蘭截止閥低流阻結構設計對比研究

周世豪 劉興玉 丁強偉 余 巍

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所)

船用法蘭截止閥低流阻結構設計對比研究

周世豪 劉興玉 丁強偉 余 巍

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所)

運用數值模擬仿真實驗的方法對船用法蘭截止閥的應力場和流場進行了數值模擬分析，根據可視化結果分析了影響截止閥內流體流動特性的原因，依據GB/T 30832-2014和仿真結果進行了流量系數和流阻系數的計算；對船用法蘭截止閥進行了低流阻結構優化設計，并對比了優化前后截止閥的流阻、強度等特性。

船用法蘭截止閥 低流阻 結構優化設計 數值模擬

船用法蘭截止閥耐腐蝕性能優異，能抵抗多種腐蝕性介質的侵蝕，具有安全、可靠及壽命長等優點，因此廣泛應用于船舶海水管系來實現接通和截斷海水管路中的介質[1]。船用法蘭截止閥主要有直通式和直角式兩種結構型式，包含手操和電液操縱兩種驅動方式。為提高閥門的減阻降噪能力，筆者在對截止閥應力場、內部流場進行數值模擬計算的基礎上，對截止閥閥瓣等部位進行低流阻優化設計，并通過模擬計算的方法進行了驗證，為船用法蘭截止閥的設計與研究提供參考。

1 結構特點

船用法蘭截止閥(圖1)主要由閥體、壓板、密封圈、閥瓣、閥桿、閥蓋、指示器及手輪等部件組成，口徑為DN125mm。閥體采用鈦合金鑄件，閥桿、閥瓣等關鍵部件采用鈦合金鍛件，各部件采用特殊的表面處理工藝，以提高其硬度和耐磨性[2]。閥門在設計中采用了軟硬結合的密封型式，既保留了軟密封結構的密封性能好、啟閉力矩小的優點，又具備了硬密封結構的使用壽命長的特點。

圖1 船用法蘭截止閥結構示意圖

2 仿真計算過程

2.1 船用法蘭截止閥建模

利用Pro/E軟件對截止閥結構進行三維實體建模，如圖2所示。在此基礎上，利用實體填充方法對截止閥內部流場進行反向建模，截止閥內部流道結構如圖3所示，其中對進、出口流道進行了適當的延長。

圖2 截止閥三維模型

圖3 截止閥流道三維模型

2.2 計算網格劃分

采用ANSYS軟件對截止閥應力場進行模擬計算，計算域為整個截止閥裝配體，為了便于計算，網格采用四面體單元，最終獲得網格如圖4所示。鈦合金材料的性能參數見表1[3]。

圖4 截止閥結構網格表1 材料性能參數

材料密度ρkg·m-3泊松比δ彈性模量EGPa抗拉強度RbMPa屈服強度RP0．2MPa鑄件45000．34110670590鍛件45000．38110880785

截止閥內部流道模型網格由ICEM CFD軟件劃分生成。由于閥內腔形狀和流動狀態十分復雜，網格劃分為四面體/混合網格形狀。為了使計算結果更加精確，對流動變化劇烈的區域(如內部流道拐彎處、閥芯流道等)進行加密處理，得到船用截止閥內部流道模型網格如圖5所示。

圖5 流道模型網格

3 數值模擬計算與結果分析

船用法蘭截止閥應力場計算邊界條件為：進口端施加固定約束，出口端施加位移約束。截止閥閥體在全開狀態下的受載情況為：閥門內腔所受壓力為5.0MPa，不考慮重力因素的影響。

對截止閥的流道模型在Fluent中進行模擬求解。截止閥流場計算邊界條件為：介質為海水，流體流動狀態為湍流，流體密度1 025kg/m3，動力粘度1.054mPa·s。截止閥入口設為速度入口，速度為3.5m/s，方向沿進口平面法線方向，水力直徑125mm。入流湍流強度為5%(充分發展的湍流)，采用標準k-ξ湍流模型[4]。出口邊界條件為：自由出流，流體與壁面接觸的邊界為靜止壁面，參考壓強為大氣壓。參考壓強位置設置在模型外的點(1000，0，0)mm處。

3.1 應力場分析

通過計算得到截止閥內部應力與變形分布如圖6、7所示。可以看出，最大應力為139.47MPa，出現在閥體尖角部位，屬于局部應力集中；閥體中法蘭頸部應力為126.07MPa，小于4倍的屈服應力；閥瓣處最大應力為33.273MPa。截止閥手輪處最大變形為0.277 96mm，閥瓣處的最大變形為0.203 58mm。

圖6 截止閥應力分布

圖7 截止閥變形分布

3.2 流場分析

通過求解得到的閥內流體壓力場、速度場分布情況如圖8、9所示。由圖8可知，進、出口壓力分布相對均勻，截止閥閥瓣流道處呈現出明顯的節流趨勢，壓力變化較大。中間閥瓣流道由于受到節流作用影響，壓力分布不均，有負壓區域存在。隨著流道的延伸，閥門出口壓力逐漸趨于平緩，流動逐漸穩定，但在閥出口邊界處存在明顯的高壓區。由圖9可知，速度分布與壓力分布呈現較高的一致性，進口端速度分布比較均勻，中間流道和出口端因受閥瓣節流效應和流道結構影響而導致速度分布不均勻。閥門進、出口端流速由外向內逐漸上升，在最內側流道速度較大。

圖8 y=0mm截面壓力分布

圖9 y=0mm截面速度分布

3.3 流阻特性研究

為了分析船用法蘭截止閥的通流阻力特性，根據GB/T 30832-2014中對閥門流量系數Kv的規定[5]：

(1)

式中G——實驗流體與水的比重；

Δp——閥兩端的靜壓損失，kPa；

Q——體積流量，m3/h。

通過模擬計算得到閥門進口流速為3.5m/s，出口為自由出流的條件下截止閥全開時的流量為158.21m3/h。代入式(1)可得船用法蘭截止閥的額定Kv為268。

流體流過閥門時產生的能量損失通常用閥前后的壓差來表示。如果閥門前后的管道直徑一致、流速相同，則由實際流體伯努利方程可知，不可壓縮流體流經調節閥的能量損失hf為[6]：

(2)

式中g——重力加速度， m/s2；

p1、p2——入口、出口壓力，kPa。

同樣，能量損失可用閥門的流阻系數與平均速度壓頭的乘積來表示，即：

(3)

其中，ζ為閥門的流阻系數，與閥門結構形式、開度和流體的性質有關。

平均流速v為：

(4)

其中，A為閥流通面積。結合式(2)～(4)可得閥門的流量方程為：

(5)

根據流阻系數的試驗方法標準，模擬得到截止閥全開時的流量為0.043 947m3/s，在閥流通面積為0.012 265m2的條件下，由式(5)可得：

(6)

4 低流阻結構設計

4.1 結構優化設計

為進一步減小截止閥的流阻系數，在原設計的基礎上，對截止閥閥瓣底部進行流線型設計，由原來的平面變成圓弧型，如圖10所示。

圖10 閥瓣低流阻設計結構對比1——閥桿； 2——閥瓣蓋；3——墊塊； 4——閥瓣；5——密封圈； 6——壓蓋；7——螺栓

另外，根據應力和流場模擬計算結果，對截止閥的閥座、閥瓣等部位進行倒圓角處理，以消除局部應力集中，提升流道口的流通能力。

4.2 優化前后對比分析

根據原邊界條件，通過數值模擬得到的優化后截止閥閥瓣應力場、變形結果如圖11所示。優化前后閥瓣分析結果對比見表2。比較原始模型，在質量增加0.35kg的情況下，最大變形減小了28.1%，最大Von Misses應力減小了18.03%。改進后模型的結構剛性有所提高且改進效果明顯。

圖11 優化后閥瓣的應力、變形分布

表2 優化前后閥瓣分析結果對比

由圖12可知，優化后截止閥內部流場的壓力、速度分布情況與優化前基本相似，但速度最大值有一定的變化。閥瓣底部的流線型設計避免了閥座底部出現高壓區，使該區域的流動更加均勻、一致，對閥瓣節流部分的流通阻力有一定的減小作用[7]。由表3可知，優化后船用法蘭截止閥的流阻系數由5.421減小到4.926，減小了7.1%，閥門的流通特性得到了提升。

圖12 y=0mm截面壓力、速度分布

表3 優化前后流場計算結果對比

5 結論

5.1 運用數值模擬仿真實驗的方法對船用法蘭截止閥的應力場、流場進行了數值模擬計算和分析研究。結果表明，進、出口壓力分布相對均勻，截止閥閥瓣流道處呈現出明顯的節流趨勢，壓力變化較大，中間流道與出口端因受閥瓣節流效應和流道結構影響速度分布不均勻。截止閥的最大應力出現在閥體尖角部位，屬于局部應力集中，閥體中法蘭頸部應力值為126.07MPa，滿足強度要求。依據相關標準和模擬結果，計算出了船用法蘭截止閥流阻系數為5.421。

5.2 通過對截止閥閥瓣等進行低流阻結構設計，使閥瓣處最大變形減小了28.1%，最大Von Misses應力減小了18.03%。閥門的流阻系數減小了7.1%，截止閥的流通能力得到了較大提升。

5.3 通過在設計過程中引入仿真模擬實驗，能夠比較精確地模擬計算截止閥的應力分布、流通能力、流阻大小及內部流動狀況等特性，縮短了產品開發周期，提高了研發效率，為船用法蘭截止閥的設計改進與研究提供了一種新思路。

[1] 張永強,余巍,崔紅力,等.鈦合金閥門的應用及其選材[J].流體機械,2013,41(9):44～48.

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[3] 楊英麗,羅媛媛,趙恒章,等.我國艦船用鈦合金研究應用現狀[J].稀有金屬材料與工程,2011,40(z2):538～544.

[4] 楊虎生,劉波,冀翠蓮.縮放管內流動與換熱的數值模擬[J].化工機械,2012,39(2):214～216.

[5] GB/T 30832-2014,閥門、流量系數和流阻系數試驗方法[S].北京:中國標準出版社,2014.

[6] 韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2004.

[7] Davis J A,Stewart M.Predicting Globe Control Valve Performance Part I:CFD Modeling[J].Journal of Fluids Engineering,2002,124(3):772～777.

DesignandComparativeStudyofLowFlowResistanceStructureforMarineFlangeGlobeValve

ZHOU Shi-hao, LIU Xing-yu, DING Qiang-wei,YU Wei
(CSICLuoyangShipMaterialsResearchInstitute)

Having numerical simulation experiment adopted to simulate and analyze both stress and flow fields of the marine flange globe valve was implemented, including having visualization result based to analyze the factors which influencing fluid’s flow characteristics in the globe valve, and both GB/T 30832-2014 Standard and simulation results based to calculate the valve’s flow coefficient and flow resistance coefficient, as well as the valve’s low flow resistance structure designed and optimized and its flow resistance and strength before and after the optimization comparativly compared.

marine flange globe valve, low flow resistance, structure design and optimization, numerical simulation

周世豪(1989-)，工程師，從事特種金屬閥門的設計研發工作，zhoushihao1949@163.com。

TQ051.8+1

A

0254-6094(2017)03-0340-05

2016-06-21)