基于OpenFOAM 的旋塞閥流場分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

摘要：為了探究錐形旋塞閥內(nèi)部流體動態(tài)特性，需對旋塞閥結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。本文基于k-ε 湍流模型，使用開源軟件OpenFOAM、應(yīng)用PIMPLE 算法、以錐形旋塞閥為研究對象，模擬研究了不同開度、不同閥芯圓角時旋塞閥的流動性能；研究了閥芯關(guān)閉過程中隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，流體流速、壓差、流線、流量系數(shù)以及阻力系數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律，并繪制了相關(guān)曲線；對比分析了不同圓角半徑下流體介質(zhì)的速度、流量系數(shù)曲線等參數(shù)的變化。結(jié)果表明：旋塞閥旋轉(zhuǎn)角度越大，閥門前后壓差越大，流量損失也就越大；流量系數(shù)隨著旋塞閥開度的增加而減小，且在相同開度下隨著閥芯圓角半徑的增加而增大。

關(guān)鍵詞：旋塞閥；OpenFOAM；流場分析；結(jié)構(gòu)參數(shù)；流量系數(shù)

中圖分類號：TH137.52+3 文獻標志碼：A

旋塞閥具有安全性高、密封性可靠、啟閉迅速等特點，廣泛應(yīng)用于石油天然氣輸運、廢水處理、海水淡化等場合。在旋塞閥啟閉過程中，會產(chǎn)生漩渦、空化等現(xiàn)象，導(dǎo)致能量損失，甚至產(chǎn)生振動與噪聲。對旋塞閥進行流場分析，研究旋塞閥工作過程的流場分布規(guī)律，對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化十分必要。

練章華等[1] 推導(dǎo)了旋塞閥開度與轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系并建立旋塞閥流體通道的CFD 模型，得到了旋塞閥開度與閥芯內(nèi)壁流體最大沖蝕速度之間的復(fù)雜關(guān)系曲線及擬合公式。陳宗帥[2] 使用FLUENT 軟件對旋塞閥內(nèi)部流場進行分析，得到了不同開度和不同進口速度對旋塞閥性能的影響。朱錦霞[3] 使用ANSYS 軟件研究了流體壓力和彈簧力對球閥密封面接觸應(yīng)力的影響和分布規(guī)律，并與實驗數(shù)據(jù)進行對比。佘瑤等[4] 使用CFD 軟件對不同開度下旋塞閥的流動性能進行了研究，得到了不同開度下的壓力分布圖、密度分布圖等，并探討了開度大小對閥芯振動與空蝕造成的影響。薛志成等[5] 使用ANSYSFLUENT軟件研究了旋塞閥內(nèi)部的流動規(guī)律，對比分析不同位置的流體在旋塞閥中的速度、壓力變化，并對易產(chǎn)生空化現(xiàn)象區(qū)域進行定位分析。劉長譽等[6] 使用FLUENT 軟件對液壓閥不同閥口開度下壓力、流速分布進行對比分析。李景翠等[7] 使用有限元CFD 軟件對旋塞閥的結(jié)構(gòu)強度與啟閉特性進行了系統(tǒng)分析，得到了相同入口速度下不同開度的速度云圖和最大速度曲線圖。張志鵬等[8] 使用OpenFOAM軟件對液壓閥開度變化引起的流動不穩(wěn)定性和渦流現(xiàn)象進行了研究。陸俊杰等[9-10] 使用微凸體接觸理論，對旋塞閥微觀粗糙密封面接觸進行受力分析并對其疲勞壽命進行計算。

Outa 等[11] 運用渦流模型和N-S 模擬方法研究了工業(yè)旋塞閥空化現(xiàn)象下氣泡的流動狀態(tài)和渦流分布。Kim 等[12] 對不同開度下的旋塞閥進行了流場性能分析，計算了不同開度和閥芯過流口形狀下的流量系數(shù)和阻力系數(shù)，并對過流口形狀進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。Sonawane 等[13] 對不同流量和壓降的截止閥進行了CFD 模擬，觀察流動模式并測量閥門的出口速度以及流量系數(shù)。Dumitrache 等[14-15] 使用有限元CFD軟件對錐形旋塞閥開始關(guān)閉時的流場進行分析，并對圓孔形和多圓孔形閥芯流道進行了CFD 和流固耦合（FSI）對比分析。Melnikova 等[16] 使用OpenFOAM軟件對調(diào)節(jié)閥進行了不可壓縮流體動力學(xué)模擬，得到了速度、壓力場、作用在閥芯上的應(yīng)力場等。Chandar等[17] 使用MATLAB 軟件研究了閥門的流動情況，模擬了進出口壓力差和流量的特征曲線。