軸流式止回閥閥瓣開啟動態(tài)特性分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

張希恒 魚榮芳

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院）

軸流式止回閥具有運(yùn)行平穩(wěn)、 密封性好、啟閉可靠及安裝不受限制等優(yōu)點，在石油天然氣長輸管道系統(tǒng)、水電站、核電站等較苛刻的管道系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用［1］。 軸流式止回閥主要由閥座、閥瓣、導(dǎo)流罩及閥體等組成，依靠閥瓣前后壓差和彈簧力實現(xiàn)閥門的啟閉。

軸流式止回閥在開啟過程中，隨著閥門開度的增大閥瓣前后的壓差呈非線性變化，開啟總力也呈非線性變化，閥瓣運(yùn)動為變加速運(yùn)動，導(dǎo)致在閥門開啟過程中閥瓣常伴有明顯的振蕩現(xiàn)象，從而引發(fā)閥門振動，甚至產(chǎn)生噪聲。 另外，由于在開啟過程中隨著閥瓣和導(dǎo)流罩的接觸距離逐漸減小， 導(dǎo)流罩內(nèi)部和閥體流道壓差逐漸增加，導(dǎo)致導(dǎo)流罩內(nèi)部流體存在較多的渦團(tuán)從而增加了閥瓣背壓的擾動， 促使閥瓣振蕩現(xiàn)象進(jìn)一步加強(qiáng)。 這種振蕩現(xiàn)象會導(dǎo)致軸流式止回閥的閥瓣與導(dǎo)流罩劇烈碰撞或者無法處于完全開啟狀態(tài)，當(dāng)閥瓣停留在閥座與導(dǎo)流罩之間時，閥瓣振蕩會使介質(zhì)出現(xiàn)紊流，導(dǎo)致閥門流通能力降低、使用壽命減少。

近年來，研究學(xué)者們對止回閥的動態(tài)特性做了大量研究。 李夢科利用數(shù)值模擬方法，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)了軸流式止回閥的啟閉過程和減阻兩大性能的提升［2］；劉太雨以軸流式止回閥為載體，分析關(guān)閥過程閥瓣與閥座密封結(jié)構(gòu)承受沖擊載荷時的應(yīng)力與密封情況，并采用多目標(biāo)優(yōu)化算法對密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提升了止回閥的密封可靠性［3］；章勇根等對某型靜音止回閥的穩(wěn)態(tài)過流特性和關(guān)閥動態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明，隨著閥門的關(guān)閉閥瓣力逐漸減小［4］；王廷以軸流式止回閥為研究對象，研究了閥瓣在停泵工況時的運(yùn)動特性以及關(guān)閥過程中閥瓣與閥座發(fā)生沖擊時的動態(tài)響應(yīng)特性，并結(jié)合彈簧阻尼理論模型，驗證了數(shù)值仿真模擬的可靠性［5］。

在目前的軸流式止回閥研究中，主要考慮的是閥門流通能力、密封性能和啟閉性能，然而對于軸流式止回閥開啟動態(tài)特性的研究則相對較少。 為此，筆者通過改變軸流式止回閥結(jié)構(gòu)，借助動網(wǎng)格技術(shù)研究其瞬態(tài)開啟動態(tài)性能，以達(dá)到減少閥瓣振蕩現(xiàn)象的目的。

1 計算模型與方法

1.1 模擬條件

軸流式止回閥三維流體域模型如圖1所示。為了穩(wěn)定軸流式止回閥進(jìn)出口處的流場壓力，保證分析精度，依據(jù)GB/T 30832—2014［6］的要求，在閥門進(jìn)出口端分別設(shè)置5倍和10倍流道直徑長度的管道。 管道入口直徑220 mm，邊界條件為壓力入口和壓力出口，流體介質(zhì)為液態(tài)水，密度998.2 kg/m3，動力黏度1.003 mPa·s。

圖1 軸流式止回閥三維流體域模型

1.2 基本控制方程

軸流式止回閥流體介質(zhì)是不可壓縮流體，流場內(nèi)部溫度基本不變，忽略熱量交換和氣蝕對流場的影響，流體介質(zhì)不包括氣態(tài)水。 其控制方程為［7］：

式中 f——控制體上的質(zhì)量力，N；

p——控制體上的壓力，Pa；

t——開啟時間；

u、v、w——x、y、z方向上的速度矢量；

ρ——密度；

μ——動力黏度，Pa·s。

1.3 動網(wǎng)格

1.3.1 動網(wǎng)格驅(qū)動

軸流式止回閥工作時，主要依靠流體作用在閥瓣上的液動力、彈簧力和摩擦力共同作用實現(xiàn)開啟和關(guān)閉。 軸流式止回閥是對稱結(jié)構(gòu)，介質(zhì)對閥瓣在豎直方向的作用力相互抵消，故只需分析閥門在水平方向上的受力。 依據(jù)牛頓第二定律，閥瓣開啟時的運(yùn)動方程可表示為：

式中 F1——閥瓣迎著來流方向的壓力；

F2——閥瓣背流方向的壓力；

F3——彈簧力，方向向左；

F4——閥瓣與支撐結(jié)構(gòu)的摩擦力；

k——彈簧剛度；

m——閥瓣組件質(zhì)量；

x——閥瓣位移；

x0——彈簧初始壓縮量。

閥瓣所受液動力的合力等于F1減F2， 方向向右。

閥瓣運(yùn)動數(shù)學(xué)模型通過調(diào)用宏函數(shù)DEFINE_CG_MOTION，根據(jù)式（3）編寫udf程序驅(qū)動［8］。

1.3.2 動網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置

利用Fluent 3D雙精度求解器進(jìn)行計算。湍流模型 選 用 標(biāo) 準(zhǔn)k-ε 模 型［9］，壁 面 函 數(shù) 采 用Non-Equilibrium Wall Functions函數(shù)，選用壓力基求解器。 在網(wǎng)格動態(tài)變形上啟用彈簧光順法（smoothing）和網(wǎng)格重構(gòu)法（remeshing）。 設(shè)置動網(wǎng)格參數(shù)和運(yùn)動區(qū)域、變形區(qū)域［10］。 殘差精度10-5，同時當(dāng)止回閥進(jìn)、出口質(zhì)量流量差小于1%或兩次迭代變化小于1%時也可以認(rèn)為數(shù)值計算結(jié)果收斂。

2 模型驗證

由于缺乏結(jié)構(gòu)完全相同的止回閥的實驗研究，為驗證湍流模型和計算方法的可靠性，采用文獻(xiàn)［11］中類似結(jié)構(gòu)的止回閥的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行湍流模型驗證。 通過數(shù)值模擬分析得到的壓降結(jié)果與文獻(xiàn)［11］中的實驗數(shù)據(jù)對比如圖2所示。 可以看出， 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)變化趨勢相同，相對誤差較小，二者基本吻合，可以認(rèn)為筆者提出的數(shù)值模擬計算方法是可靠的。

圖2 壓降模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比

3 改進(jìn)前的止回閥開啟動態(tài)分析

以水為介質(zhì)， 進(jìn)口壓力100 kPa作為邊界條件，借助動網(wǎng)格技術(shù)，分析未開孔軸流式止回閥的瞬態(tài)開啟過程。

圖3是軸流式止回閥不同開啟時間t下的速度流線圖。 可以看出，在t=0.027 s時閥門逐漸開啟，導(dǎo)流罩與閥體流道內(nèi)部以及閥瓣邊緣均有大量小渦旋出現(xiàn)，隨著閥門閥瓣與閥門導(dǎo)流罩接觸距離的逐漸縮小，t在0.039～0.055 s時， 導(dǎo)流罩內(nèi)部和閥體流道壓差逐漸增大， 導(dǎo)流罩內(nèi)部渦旋變大，由小渦變?yōu)榇鬁u，增加了閥瓣背壓的擾動，造成流體輸送的能量損耗， 加劇了閥瓣的振蕩現(xiàn)象；當(dāng)t=0.055 s時閥瓣與導(dǎo)流罩剛開始接觸，導(dǎo)流罩內(nèi)部存在大渦旋，由于受力的極不平衡，閥門振蕩由小振蕩開始出現(xiàn)較大的振蕩； 當(dāng)t=0.082 s時，導(dǎo)流罩內(nèi)部由大渦旋變?yōu)樾u旋，渦旋現(xiàn)象被削弱， 振蕩現(xiàn)象逐漸消失， 閥門達(dá)到全開位置。

圖3 未開孔軸流式止回閥不同開啟時間下的速度流線圖

圖4是止回閥閥瓣開啟過程位移變化曲線。可以看出，t在0.000～0.055 s時， 閥瓣位移具有微小的往復(fù)振蕩特征；在t=0.055 s時，閥門閥瓣與導(dǎo)流罩剛開始接觸，閥瓣往復(fù)振蕩加劇，最大振幅為15.57 mm，經(jīng)過反復(fù)振蕩，在t=0.082 s時閥瓣最終達(dá)到平衡位置，靜止在流場中。 由此可見，軸流式止回閥的開啟過程是一個經(jīng)過振蕩最終達(dá)到平衡位置的過程。

圖4 止回閥閥瓣開啟過程位移變化曲線

4 結(jié)構(gòu)改進(jìn)及結(jié)果分析

4.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化

為了減少閥瓣在開啟過程中的振蕩現(xiàn)象，筆者在導(dǎo)流罩尾部開方孔后研究軸流式止回閥的瞬態(tài)開啟動態(tài)特性。 方孔遵循長寬比為1、陣列排布3個孔的原則， 改進(jìn)后的軸流式止回閥三維結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的軸流式止回閥三維結(jié)構(gòu)模型

采用相同的邊界條件，以孔邊長60、70、80、90 mm 4種改進(jìn)結(jié)構(gòu)為研究對象， 分析不同邊長方孔對閥瓣開啟動態(tài)特性的影響。

圖6a是止回閥開孔前后閥瓣力隨相對開度的變化對比，可以看出，當(dāng)相對開度小于60%時，導(dǎo)流罩尾部開孔前后閥瓣力的變化趨勢及數(shù)值基本接近，當(dāng)相對開度大于60%以后，未開孔閥門的閥瓣力從400 N逐漸增大到1 100 N后又急劇降低到200 N， 導(dǎo)流罩尾部開方孔的閥門閥瓣力則保持在200 N左右基本不變， 由此說明導(dǎo)流罩尾部開方孔后在大開度下止回閥閥瓣力出現(xiàn)拐點的次數(shù)減少，閥瓣力的波動幅度減小，振蕩現(xiàn)象明顯減弱。 圖6b是不同邊長方孔下的閥門閥瓣力隨相對開度的變化對比，可以看出，在閥門相對開度小于20%時閥瓣力均從1 300 N減小到100 N；當(dāng)閥門相對開度大于20%后，閥瓣力均從100 N回升后又減小， 其中導(dǎo)流罩尾部方孔邊長為80 mm時，閥瓣力的波動幅度最小，閥門振蕩最小，因此文中后續(xù)在進(jìn)行模擬分析時均采用的是導(dǎo)流罩尾部方孔邊長80 mm的模型。

圖6 不同情況下的閥瓣力與相對開度的變化關(guān)系

4.2 振蕩分析

圖7是導(dǎo)流罩尾部開孔的止回閥不同開啟時間下的速度流線圖。 由圖7可以看出，隨著閥門的開啟，在t為0.006～0.038 s時，導(dǎo)流罩內(nèi)部渦旋依然存在，與未開孔軸流式止回閥不同開啟時間下速度流線圖（圖3）相比，渦旋變成了環(huán)形渦旋且渦旋逐漸減弱，渦旋數(shù)量也逐漸減少，閥瓣振蕩現(xiàn)象明顯減弱；在t=0.038 s時，閥門閥瓣與閥門導(dǎo)流罩開始接觸，導(dǎo)流罩內(nèi)部渦旋數(shù)量減少，相較于圖3e，旋渦明顯被削弱，閥瓣振蕩減小；在t=0.063 s時，導(dǎo)流罩內(nèi)部渦旋逐漸消失，閥瓣到達(dá)平衡位置，閥門完全開啟。

圖7 導(dǎo)流罩尾部開孔的止回閥不同開啟時間下的速度流線圖

圖8是開孔后止回閥閥瓣開啟過程位移變化 曲線。

圖8 開孔后止回閥閥瓣開啟過程位移變化曲線

由圖8可知，初始流體介質(zhì)推動閥門開啟，隨著閥門開度的增大，閥瓣前后壓差減小，介質(zhì)對閥瓣的推動力逐漸減小， 在慣性力的共同作用下，當(dāng)t=0.038 s時閥瓣運(yùn)動到最大位移位置，隨后由于閥瓣前后壓差的進(jìn)一步減小，閥瓣反向做加速運(yùn)動。 在閥瓣力的交變作用下，閥瓣做往復(fù)振蕩運(yùn)動，隨著閥瓣力的衰減，當(dāng)t=0.063 s時閥瓣力趨于穩(wěn)定，閥門到達(dá)全開位置。

相比于圖4， 開孔后止回閥在0.006～0.038 s時，振蕩次數(shù)較少，且振幅較小；在t=0.038 s時，閥瓣運(yùn)動到最大位移位置，閥門閥瓣與導(dǎo)流罩開始接觸，閥瓣往復(fù)運(yùn)動的次數(shù)減少，最大振幅11.12 mm，經(jīng)過反復(fù)振蕩，在t=0.063 s時，閥瓣最終到達(dá)平衡位置，閥門完全開啟。 而未開孔止回閥運(yùn)動到最大位移位置的時間為0.055 s，完全開啟時間0.082 s。 開孔后止回閥結(jié)構(gòu)在開啟過程中閥瓣能快速運(yùn)動到最大位移位置，閥門完全開啟的時間縮短，振蕩幅度與振蕩時間較小，延長了閥門使用壽命。

4.3 動態(tài)特性對比分析

4.3.1 閥瓣力

圖9是導(dǎo)流罩開孔前后閥瓣不同開啟時間下的受力情況。 由圖9可知，止回閥剛開啟時，閥瓣力隨著開啟時間的增大而減小，導(dǎo)流罩開孔后的閥瓣力減小幅度小于未開孔的。 隨著開度的增大，流體進(jìn)入閥體中腔和導(dǎo)流罩內(nèi)部，在閥瓣前后壓差和流體沖量的共同作用下，閥瓣力開始回升，未開孔止回閥在開啟時間達(dá)到0.055 s時閥瓣與導(dǎo)流罩接觸， 在0.055～0.082 s時閥瓣與導(dǎo)流罩發(fā)生碰撞后閥瓣力交替變化振蕩現(xiàn)象加劇。 導(dǎo)流罩尾部開孔的止回閥在開啟時間達(dá)到0.038 s時閥瓣與導(dǎo)流罩接觸， 在0.038～0.063 s時閥瓣與導(dǎo)流罩發(fā)生碰撞后閥瓣力出現(xiàn)了反復(fù)交變振蕩現(xiàn)象，相較于開孔結(jié)構(gòu)，未開孔結(jié)構(gòu)的閥瓣力峰值應(yīng)力和振蕩時間均大于開孔結(jié)構(gòu)的，開孔后閥瓣力振蕩幅度與振蕩時間明顯減小，因此導(dǎo)流罩尾部開孔能夠減弱閥瓣在開啟過程中的振蕩現(xiàn)象。最后，閥瓣力逐漸衰減并趨于平衡。

圖9 導(dǎo)流罩開孔前后閥瓣不同開啟時間下的受力

4.3.2 閥瓣運(yùn)動規(guī)律

圖10是導(dǎo)流罩開孔前后閥瓣運(yùn)動速度與時間的關(guān)系曲線對比。 由圖10可知，未開孔止回閥結(jié)構(gòu)閥門閥瓣正向最大運(yùn)動速度是3.23 m/s，反向最大運(yùn)動速度是0.86 m/s； 開孔后閥瓣運(yùn)動最大速度是2.68 m/s，反向最大運(yùn)動速度是0.65 m/s。開孔后的閥瓣正反向最大速度均小于未開孔的，且開孔后的閥瓣與導(dǎo)流罩的碰撞最大動量小，沖擊振動小，相應(yīng)的振蕩現(xiàn)象較弱，滿足閥瓣與導(dǎo)流罩無接觸碰撞的要求。

圖10 導(dǎo)流罩開孔前后速度與時間的關(guān)系曲線對比

5 結(jié)論

5.1 軸流式止回閥開啟過程中，隨著閥瓣與導(dǎo)流罩接觸距離逐漸減小， 導(dǎo)流罩內(nèi)部渦旋逐漸變大，增大了閥瓣背壓的擾動，閥瓣在運(yùn)動過程中發(fā)生振蕩；閥門閥瓣與導(dǎo)流罩接觸后，由于慣性力和大渦旋流的作用， 閥瓣受到交變載荷作用，加劇了閥瓣振蕩。

5.2 導(dǎo)流罩尾部方孔邊長為80 mm時，止回閥閥瓣力波動最小。

5.3 導(dǎo)流罩開孔后止回閥的閥瓣能快速運(yùn)動到最大位移位置，閥門完全開啟時間較短，振蕩幅度與振蕩時間較小，延長了閥門使用壽命。

5.4 導(dǎo)流罩開孔后其閥瓣正反向最大速度均小于未開孔的， 且閥瓣與導(dǎo)流罩的碰撞最大動量小，沖擊振動小，相應(yīng)的振蕩現(xiàn)象較弱，滿足閥瓣與導(dǎo)流罩無接觸碰撞的要求。