基于AcuSolve的空調用截止閥流通性能的仿真與試驗

賀宇辰

摘要：針對空調用多種型號截止閥，建立了對應各型號截止閥的流體仿真模型，采用Altair公司流體仿真分析軟件AcuSolve對4種型號截止閥進行流通性能仿真計算，4種規格截止閥流量系數仿真結果與試驗數值的最大誤差為3 .47%，最小的誤差僅為1.78%，全部低于工程常用5%誤差以下的考察標準，證明仿真分析的準確合理性。研究結果對空調用截止閥的流通能力設計和驗證提供參考。

關鍵詞：截止閥;Acusolve;流通性能;仿真分析

中圖分類號：TB657; TP273

文獻標志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022）02-0133-04

0 引言

截止閥是空調系統中必不可少的一種控制部件。在空調系統管路中，起制冷劑傳輸切斷和流動方向調節等作用[1]。由于截止閥的結構特性一般為直角轉彎形式，這就導致其無法擁有良好的流通性能。2019年國家多部委聯合印發《綠色高效制冷行動方案》提出，在2017年基礎上，到2022年，我國家用空調等制冷產品的市場能效水平提升30%以上，綠色高效制冷產品市場占有率將提高20%;到2030年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷總體能效水平需提升25%以上，綠色高效制冷產品市場占有率提高到40%以上。這就對空調系統節能要求提出很高的要求。截止閥作為空調系統管路中一個重要部件，提高其流通性能，即截止閥的流量系數值，也引起各大空調廠商越來越多的重視，因此有必要對截止閥流通能力進行研究，了解影響截止閥流通能力的因素，進而提升其流通能力。

對于閥類流動的研究，之前也有很多研究，早期主要以試驗為主[2]，優點是結果可靠，缺點是周期較長，成本較高。近些年來，計算流體力學的發展和計算機性能及仿真技術的提升，產品的工程設計和優化也逐步從理論計算和試驗研究逐步向仿真與試驗驗證的方向過渡，國內外很多機構也對此進行了大量的研究，取得很好的成果[3-10]。本文利用Altair公司仿真平臺HyperWorks的前處理模塊HyperMesh對某空調用截止閥進行網格劃分前處理，使用基于有限元方法的AcuSolve求解器進行分析計算，并將仿真分析結果與試驗結果進行對比，驗證仿真分析模型和方法的準確性，為后續新品開發和結構優化提供參考。

1 控制方程及流通性能參數

1.1 質量方程

截止閥流量系數測試過程中，通過截止閥管路的流體介質為常溫狀態下的水，可視為流體密度不變的穩定流動，質量守恒方程為：

P1=p2（1）

V1A1=V2A2=Q式中：p為水的密度，kg/m3;V為流速，m/s;A為截面面積，m2;p為體積流量，m3/s。

式（1）表示進出口截面A處的體積流量Q相同，流體密度p相同，因此流體質量也相同。

1.2 伯努利方程

伯努利方程的實質是能量守恒，與本文中對應的流體流動，伯努利方程可表達為：速度壓頭+幾何壓頭+壓力壓頭=常數。分別用hv、hg和hp表示上述幾個壓頭，壓頭單位為m。速度壓頭是由流體速度產生的高度，幾何壓頭是流體所處的位置高度，壓力壓頭是流體重量所產生的高度。

其中，下標1和2分別表示所選取的截面，式（3）表示當流體穩定流動時，管路上任何位置截面的總壓頭為常數。

流體在水平放置截止閥流動過程中，在截止閥閥門前后速度一致的情況下，閥門前后會產生一定的壓力下降，也稱截止閥進出口壓差。由于能量守恒，那么下降的壓力必然轉化為流體的內能，因此實際的流體伯努利方程式為：

1.3 截止閥的阻力系數

通過截止閥前后的壓差可以表示為流體流經閥門的能力損失，因此理想流體經過截止閥的能量壓頭損失表示為：

1.4 截止閥流量系數

根據國標CBT 30832-2014《閥門流量系數和流阻系數試驗方法》，流量系數Kv定義為5-40℃溫度范圍的水流經閥門，兩端壓差為100 kPa時，以m3/h計的流量數值，為Kv值[13]。流量系數Kv計算公式為：

2 數值模型及分析設置

本文采用Altair公司HyperWorks仿真平臺的CFD軟件AcuSolve進行截止閥流通性能分析。該軟件可用于不可壓縮到微可壓縮范圍（馬赫數小于1）的復雜流動分析。由于AcuSovle基于有限元法，因此不但計算過程收斂速度較快，而且精度也較高。AcuSolve采用基于完全非結構化網格的有限元法，在完全非結構四面體網格上保持高度的精確性，利用四面體網格自動生成方式可以大幅度降低網格生成的難度，提升分析效率。對于空調用截止閥這種小型部件，尤其是閥芯位置處特征較小的部位，有很好的適用性。AcuSolve的物理模型也較為豐富，可以計算層流、湍流、無粘流等流動分析工況。

2.1 研究模型

本文研究對象為空調用截止閥，在三維設計軟件SolidWorks中建立流通內徑分別為4 mm、8 mm、10 mm和13 mm四種規格的幾何三維數據，命名分別為DC4、DC8、DC10和DC13。本文所有建模和分析圖示都以4 mm內徑規格的截止閥為例，如圖1所示。研究內容為截止閥內部的流動，暫不考慮制冷劑局部壓力變化形成的相變流動。其中，在制冷工況下，圖中截止閥閥座相連接接管為進口接管，閥身側面相連接的接管為出口接管;在制熱工況下，制冷劑的流動方向與制冷工況相反。

2.2 網格模型建立

計算網格的質量是數值計算精度和計算速度的保證，本文采用HyperWorks仿真平臺專業前處理工具Hy-perMesh進行幾何前處理和網格劃分，在網格劃分前對計算域進行流道抽取，劃分網格時對閥芯等幾何特征較小的地方進行加密，避免幾何失真，保證精度，提高計算的準確性。計算表面網格總數約312 994，節點數量為156 499，計算域如圖2所示，表面網格模型閥芯處局部放大圖如圖3所示。

分析模型的體網格在AcuSolve的求解前處理模塊AcuConsole進行設置和生產。考慮計算精度和準確性，設定體網格整體尺寸為，閥芯處加密尺寸為，邊界層設定為3層，邊界層厚度為3 mm，提交生成計算體網格總數為3 251 978，網格節點數為932 445。計算域體網格模型局部圖如圖4所示，對體網格模型進行切面處理，查看內部網格模型，局部區域界面圖如圖5所示。

2.3 邊界條件設置

為了與試驗結果進行對比，邊界條件的設置與工程實際盡量一致，工況參照國標CBT 30832-2014《閥門流量系數和流阻系數試驗方法》，流動方向為制冷工況下工質流動方向，具體邊界設置如下：流動工質為水，人流均勻，工作狀態下，流體域進口為壓力邊界條件，由于進出口管徑相同，指定進出口邊界壓力統一為靜壓，設定壓力值為0.1 MPa;流體域出口指定壓力邊界條件，靜壓為0 Pa。同時需要對邊界條件做一些簡化設定：（1）不考慮換熱對流動的影響，包括輻射換熱、對流換熱等;（2）流動過程壓力和速度較低，認為工質水為不可壓縮流體;（3）進出口壓力恒定。

對于文中截止閥內部純流動問題，AcuSolve中湍流模型選擇RANS模型的k一ω模型，該模型是兩方程湍流模型，基于湍動能k及ω，ω要比ε更容易求解，主要應用在內部流動，對于射流、帶有分離流的問題具有很好的符合性，由ε于截止閥內部流動中具有以上特點，所以選擇k-ω模型可以很好地描述截止閥的流動物理特性，制冷工況下計算邊界的設置如圖6所示。

2.4 數學模型

控制方程式基本守恒定律的數學描述，控制方程一般包括質量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程。文中的計算工質為不可壓縮的水，其控制方程如下。

3 計算結果

將HyperMesh中建立的DC4表面單元模型導出成.nas格式后導入AcuConsole中進行體網格生成后，提交由求解器AcuSolve計算。求解結束后在AcuConsole界面下打開后處理模塊AcuFieldView，進行分析結果查看。圖7-8分別為DC4截止閥模型X中心截面的壓力云圖和速度云圖。從壓力云圖可以看出，水從截止閥接管入口進入截止閥后，在閥芯處由于流體受到正面阻力，水流直接沖擊該處位置，導致這個地方的壓力最大;流體在此發生90°轉彎，在閥芯向出口接管方向流動過程中，有部分流動滯止區，發生能量損失。與之對應的速度云圖中也可以看出，在閥芯處流體直接沖擊該處，導致這個位置的速度較低，在流體發生流動轉向后，發生局部流動分離，出口接管上部的流體流速較大，而下部區域存在局部流動死區，流速較低。

圖9所示為DC4表面壓力云圖，從圖中可以看到，總體壓力進口端明顯高于出口端，且最高壓力出現在截止閥突出位置閥芯處，在流體轉向位置區域的壓力較小，在此處有流體的能量損失。

4 仿真與試驗對比

分別建立DC4、DC8、DClO和DC13的CFD仿真模型，并提交AcuSolve進行仿真分析，CFD仿真分析軟件不能直接輸出截止閥流通性能指標流量系數凰值，只能輸出流量，然后通過文中式（8）進行換算，表1所示為截止閥流量系數仿真結果與試驗結果的對比情況，其中試驗數據為同一種產品規格重復測試3次結果的平均值。

從表1可以看出，4種規格的截止閥流量系數試驗數值和仿真結果十分吻合，最大誤差為3.47%，最小的誤差僅為1.78%，全部低于工程常用5%誤差以下的考察標準。利用趨勢曲線圖可以更加直觀地看到仿真和試驗對比的吻合程度，如圖10所示。驗證了仿真模型和方法的準確性和有效性，證明可以利用CFD仿真的方法進行截止閥結構流通能力的驗證，后續產品設計過程中可以快速對設計方案進行流通能力評估，以及產品結構的優化和驗證。

5 結束語

（1）利用三維設計軟件Solidworks建立了4種型號的空調用截止閥三維數據模型，并在HyperWorks仿真平臺下進行模型的有限元處理，為下一步截止閥的流通性能計算做好準備。

（2）利用HyperWorks的CFD模塊對空調用截止閥流通性能進行CFD仿真計算，并將4種規格截止閥產品的計算結果與試驗結果進行對比，仿真計算結果與試驗結果的誤差均在工程允許的5%范圍內，證明仿真模型的準確性，可以利用CFD仿真技術對截止閥流通性能進行分析和優化，對產品開發具有一定的理論指導和借鑒意義。

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