截止阀启闭时流动特征的动态数值模拟

　　阀门在现代工业的各个部门中有着广泛的应用,是工业系统中不可缺少的主要设备之一。随着科学技术的高速发展,截止阀作为通用机械产品已面临各种挑战,国内80年代的截止阀产品结构已不能满足现代工业日新月异的变化,国外已出现了许多结构先进、新颖的产品,国内市场对截止阀的结构特点也提出了许多新的要求。为了适应国内外突飞猛进的科技发展,适应高参数、高性能的工业输送系统,满足各类建设项目的需要,开发和研制截止阀新产品、探索和追求有特色的截止阀新结构势在必行。

　　XYZ-125G型稀油站管路系统使用N150机械油作为介质,当运动粘度为1. 4×10-4斯的N150流经截止阀时,会产生漩涡、气穴、水锤和死水区等水流现象,这些现象严重影响和危害管道的工况,产生振动、液压冲击、噪音和水头损失。而液压冲击对液压系统危害很大,产生液压冲击时,瞬时压力峰值通常比正常压力大好几倍,这可能破坏设备、影响工件的加工质量,使工作元件产生误操作。目前对阀门流动特性的研究尚未引起足够的重视,基本上还是依据传统设计方法和经验设计产品,不注重对阀道中的压头损失、液压冲击等的研究。

　　计算流体动力学(Computational Fluid Dynamicss,简称CFD)技术,是通过计算机数值计算和图像显示,对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。本文采用CFD技术模拟截止阀阀道里阀盘启闭过程中液流状态,得出阀体内压力图像分布云图、速度图像分布云图以及能量损失数值,为分析阀道闭合时产生的水头损失设计和阀道结构优化提供理论依据。

　　1　结构模型

　　1·1　物理模型

　　图1所示为在XYZ-125G型稀油站中使用的J41H型截止阀的剖面图。其结构特点:手轮驱动,法兰连接,锲式明杆单闸板结构;阀体的公称通径为DN25,采用不锈钢材料制成,结构尺寸如表1。

　　CFD分析模型采用二维模拟,二维模拟的优点是能从分析图像上清晰看到阀体中流体的速度、压力分布和各种液流现象。按照表1的尺寸参数绘制的截止?

　　1·2　控制方程

　　液压阀阀道内流动属于湍流,求解器参数:隐式(Implicit)、二维(2D)、非稳态(Unsteady)、k-epsilon湍流模型,满足纳维叶-斯托克斯(Navier-Stokes)方程,简称N-S方程。该方程在1845年由Stokes独立提出,粘性系数为一常数的形式,即:

　　式中:υ=μ/ρ,为流体的运动粘度。N-S方程比较准确地描述了实际的流动,粘性流体的流动分析均可归结为对此方程的研究。此外,由于要模拟液流流经截止阀时阀盘的开启与闭合状态,还要用到动网格模型(DynamicMesh),动网格模型可以用来模拟由于边界运动引起流域形状随时间变化的流动情况。其方程可由下式表示: