液流旋啟式止回閥閥內流場數值模擬

莫才友 向科峰 李 翔

(1.西南科技大學應用技術學院 四川綿陽 621010； 2.西南科技大學制造科學與工程學院 四川綿陽 621010)

液流旋啟式止回閥又稱單向閥，其作用主要是防止管路中的流體倒流，引起上游泵機組的反轉，造成泵機組的燒毀或管路破壞。由于其具有結構簡單、體積小、質量輕、安裝方便等特點，已廣泛應用于化工、石油、核電、自來水等壓力管道輸送中[1]。目前對其研究主要是關閉時引起的水擊問題和結構優化等方面。李樹勛等[2]通過二維模型對液流旋啟式止回閥在關閉過程中的動態特性進行了數值模擬；韓文偉等[3]對旋啟式止回閥在關閉時的水錘進行了研究；曾紅等[4]對旋啟式止回閥的進行了流場分析與結構優化；張健平等[5]對梭式止回閥與旋啟式止回閥流動特性的數值模擬已進行比較分析，由于旋啟式止回閥不屬于軸對稱結構，采用二維幾何模型分析結果數據不準確，且采用三維幾何模型對其開啟、關閉及穩定工作時的振動噪聲研究比較少。流體與自身結構對閥門引起振動、噪聲、水擊等問題起到密不可分的作用[6-7]。本文從旋啟式止回閥自身入手，對止回閥的整個工作過程進行模擬，進而通過閥內流場的速度場、壓力場、閥瓣運動特性進行數值仿真，分析振動噪聲產生的機制。文中根據旋啟式止回閥的運動特點，建立閥瓣運動模型與三維幾何模型，采用計算流體力學軟件ADINA8.9的CFD模塊對液流旋啟式止回閥開啟、穩定、關閉整個過程中閥瓣的運動特性和閥內流場進行數值模擬并實現可視化，為液流旋啟式止回閥的結構參數設計和優化提供參考。

1 旋啟式止回閥工作原理及結構特點

旋啟式止回閥的結構簡單，主要是通過壓緊螺母將閥瓣與搖桿固定，使搖桿繞一支點自由旋轉。其工作原理主要是利用流體對閥瓣產生的沖擊力使閥瓣打開，閥瓣處于懸浮狀態，流道暢通；當上游流體對閥瓣的作用力小于閥瓣自重時，閥瓣依靠自身重力關閉通口，防止流體倒流[8]。其結構原理圖如圖1所示。

2 模型建立及參數設置

2.1 幾何模型建立及網格劃分

考慮到旋啟式止回閥自身結構的特殊性與ADINA軟件建模的復雜性，利用CATIA軟件進行參數化3D建模，并通過IGES數據接口將模型導入ADINA8.9中，然后進行網格劃分。其流體與閥瓣模型網格劃分如圖2和圖3所示。

圖1 旋啟式止回閥結構原理圖Fig. 1 Schematic diagram of swing check valve structure

圖2 流場網格模型Fig. 2 Grid model of flow field

圖3 閥瓣網格模型Fig. 3 Mesh model of disc

2.2 數學模型

2.2.1 基本控制方程

旋啟式止回閥由閥瓣和流體所組成的流固耦合系統，應遵循動量與能量守恒原則，因此在流固耦合交界面處，應滿足流體與閥瓣應力τ、位移d、熱流量q、溫度T等變量的守恒或相等[9]。

(1)

在閥門內部的流固耦合系統中，定義在閥瓣和內部流體結構點上的解向量記為Xs和Xf，耦合解向量為X=(Xf,Xs)，另ds=ds(Xs),τf=τf(Xf)，因此閥瓣與流體相互作用下的耦合有限元方程可以表示為：

(2)

其中，Ff和Fs分別是與流體和結構相應的有限元方程，Ff[Xf,0]=0，Fs[Xs,0]=0

2.2.2 閥瓣運動模型

液流旋啟式止回閥工作時，閥瓣主要受流體液動力、浮力、自身重力以及閥瓣與閥座之間的支撐力和摩擦力的共同作用。根據牛頓第二定律，主要分析閥瓣在關閉時的運動特性，方程可表示為[10-12]：

(3)

2.3 參數設置

假設0～0.1 s內入口壓力從0.1 MPa線性遞增至0.14 MPa，0.1～0.6 s為0.14 MPa，0.6～0.7 s線性遞減至0.1 MPa，出口背壓為0.1 MPa，閥瓣自重10 N，最大旋起角度為80°；采用標準湍流κ-ε模型，閥體內壁為WALL，閥瓣邊界為FSI；流體介質為水，且為不可壓縮常參數模型，密度為1.0×103kg/m3，黏度為0.001 003 Pa·s，體積模量為1×1020，閥體材料為鋼，閥瓣材料為各向同性線彈性材料，彈性模量2.07×1011Pa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3，迭代步數為500步。進口壓力隨時間變化曲線如圖4所示。

3 數值模擬結果及分析

取旋啟式止回閥在YZ平面上的剖切面MESHPLOT0001，分析在開啟階段、穩定階段以及關閉階段不同時刻的速度矢量圖與壓力云圖，并作出閥瓣在3個階段的速度變化曲線，得出其運動規律。

圖4 進口壓力隨時間變化曲線Fig. 4 Variation curve of inlet pressure over time

3.1 開啟階段

閥瓣完全開啟時間為0.22 s，取開啟階段t=0.05 s 與0.1 s兩個時刻的速度矢量圖與壓力云圖如圖5所示，流體速度較大區域位于閥瓣四周縫隙處，最大流速隨著進口壓力的線性遞增不斷增加，并以射流的形式向出口噴出，閥瓣背部由于閥瓣四周受液體包裹，瞬時間無流體填充，形成局部真空，但隨著閥瓣的不斷旋起開度逐漸增大，壓縮真空區域逐漸減小，直至流體完全填充真空區域，氣穴破滅成許多小的氣泡隨液體流出，產生噪聲。又由于從左到右壓力梯度不斷增加，閥瓣前端壓力明顯高于背端，又因閥體結構不對稱造成流場壓力分布不均，易造成振動和噪聲。

3.2 穩定階段

穩定階段是指閥瓣完全旋起，流體流動情況幾乎不會隨著時間的推移發生改變。取穩定工作階段某一時刻的流場分布情況作分析，圖6為穩定階段t=0.4 s 時的速度矢量圖與壓力云圖，當止回閥閥瓣完全開啟，由于止回閥結構設計時通流截面積略大于管道截面積，致使流體在閥門內部的運動速度相比管道流速要小，閥門出口處流體最大流速為20.26 m/s，產生的渦動噪聲相比開啟階段明顯減弱，在穩定工作階段閥門的振動噪聲顯著降低，管道通暢性最佳；止回閥內部進口端壓力大于出口端壓力，由于閥瓣以及閥體內壁呈凹狀且受流體沖擊導致壓力最大分布區域位于止回閥底部靠閥門出口一端，最大值為195 435 Pa。

圖5 開啟階段速度矢量圖與壓力云圖Fig. 5 Velocity vector diagram and pressure cloud diagram at the opening stage

圖6 穩定階段速度矢量圖與壓力云圖Fig. 6 Velocity vector diagram and pressure cloud diagram in stable stage

3.3 關閉階段

當進口端壓力逐漸消失，閥瓣因自重逐漸關閉閥口，即關閉階段。由于關閉階段流體作用力幾乎不存在，在兩端均為大氣壓力的作用下，由于止回閥在此階段沒有受到泵等其它動力元件的作用，閥瓣在自身重力作用下逐漸關閉閥口，整個關閉時間為0.45 s，較開啟階段持續時間更長，取關閉階段t=0.75 s與t=1.15 s 兩個時刻的速度矢量圖與壓力云圖進行分析(如圖7所示)。t=0.75 s時流體速度與壓力變化較穩定階段變化不明顯，但t=1.15 s時可看出，在閥門出口處與閥門內部頂端形成了兩個較大的漩渦，形成氣穴，出口處更明顯，但隨著流體的進一步流失，失去流體的包裹，氣穴與大氣融合，逐漸消失。此時刻，最大流速位于管壁處，為 5.538 m/s，隨著開度不斷減小，渦動尺度遞增，渦流壓差增大。

圖7 關閉階段速度矢量圖與壓力云圖Fig. 7 Velocity vector diagram and pressure cloud diagram

3.4 閥瓣運動分析

因閥瓣在分析過程中屬于剛體，不會受外力的作用而發生變化，因此取閥瓣末端軸線上的節點54進行分析，得出閥瓣在開啟、穩定、關閉階段的運動規律，圖8為閥瓣在3個階段的速度變化曲線。開啟階段：隨著進口壓力線性遞增，閥瓣運動速度快速增加，但在0.06～0.1 s階段，由于閥瓣旋起開度陡然增大，流量增大，對閥瓣在軸向上的沖擊作用力降低，閥瓣運動速度有一個相對降低的過程，之后又由于進口壓力的進一步增大，閥瓣運動速度呈遞增趨勢；穩定階段：閥瓣位于最大開度位置，閥瓣靜止，速度為零；關閉階段：由于進口壓力線性遞減至零，閥瓣在自身重力作用下逐漸關閉閥口，相比開啟階段速度明顯偏低，時間延長，閥瓣的關閉造成后端流體回流，撞擊閥瓣，產生振動與噪聲。

圖8 閥瓣運動速度曲線Fig. 8 Velocity curve of disc movement

4 結論

對液流旋啟式止回閥內部流場進行數值模擬，并將開啟、穩定、關閉完整的動作過程結合在一起進行模擬，體現出整個過程的完整性與數據真實性。可以明顯觀察閥內流體在整個過程中的流動情況以及壓力分布情況，以及閥瓣運動規律，可視化結果為研究液流旋啟式止回閥在實際工況下的振動、噪聲、渦動以及結構優化提供理論依據與數據參考。

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