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摘 要：应用CFD软件FLUENT对运行过程中的热冲击试验系统的三通阀进行了热冲击过程模拟计算，采用Realizablek-ε模型，分析了流场参数分布情况。通过模拟结果分析了承受热冲击的主要部位，针对其易磨损发生泄漏的问题，提出了优化改进方案。
关键字：三通调节阀 数值模拟 热冲击
0 引言
调节阀是管路中的一个重要机械装置，通过阀门的开启、关闭、调节，从而起到控制设备和管路中介质的压力、流量和方向的作用，广泛应用于化工、石油、冶金、电力等部门。调节阀当前发展的趋势主要是智能型、机电一体化和总线制接口，并且向着节耗、节料、精小型及高温高压大压差的方向发展。在实际运行过程中调节阀总是受到流体的冲刷和摩擦，导致严重的冲击磨损，造成了设备寿命的缩短，影响正常生产。虽然当前针对调节阀磨损采用如陶瓷材料、高分子复合材料等耐磨材料，高分子材料具有超强耐磨性能、优越的粘着性能，安全地解决了金属磨损的弊端，但是由于受到成本和技术的限制并没有得到广泛的使用。因此，开展调节阀内部磨损状态的研究具有重要的理论和实践意义。
随着计算流体力学和计算机的不断快速发展，CFD数值模拟已经逐渐成为工程设计中一个重要的辅助手段。使用数值模拟不仅减少资金和人力的投入，最主要的是可以使调节阀的真实工作状态下的内部流动参数的分布规律和变化被模拟出来。赵伟国等基于CFD，利用RNGk-ε湍流模型，对某水轮机迷宫密封内部流场进行了数值模拟，得到了密封内的流场分析，为进一步研究水轮机密封内部流动提供了依据。朱荣生等基于CFD，采用两相流混合模型针对叶轮内的三维湍流汽蚀流场进行了数值计算，揭示了叶轮内汽蚀两相流场的内在特性。与此同时在阀门领域的研究中也有许多利用CFD工具对其进行相关的模拟仿真计算，从而得出相应的结论。但从磨损角度分析研究阀门的很缺乏，基于实际使用过程中调节阀主要的弊端是局部壁面的减薄和穿透，故尝试利用数值模拟方法对进行热冲击试验的阀门内部磨损情况进行研究。通过CFD软件建立计算模型，在计算结果的基础上对阀门磨损规律进行总结，达到优化调节阀设计的目的。
1 数学模型的建立
研究过程中合理假定调节阀内部流体介质为不可压缩的粘性流体，计算时以水作为研究介质。无热能交换，不可压缩黏性流体控制方程由质量守恒和动量守恒方程组成，分别是：
![]() （1）
![]() （2）
式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；ui、uj是流体的速度分量，m/s；p为流体微元体上的压力，Pa；μ为流体动力粘度，Pa·s；Si为动量方程的广义源项。
2 CFD仿真计算
2.1 几何模型
由于调节阀本身具有平面对称特性，故在仿真过程中建立原模型的一半作为模拟研究对象。图1为采用几何三维建模软件Solidworks绘制且开度为50%的三通截止阀的截面模型。
图1 三通调节阀截面模型示意
2.2 网格划分及边界条件设置
网格划分主要为非结构化网格，对阀芯处的网格进行重点加密，选择非定常模型进行动态模拟。已知入口水温为110℃，流量1050m3/h，根据阀门入口截面面积可计算得到进口流速为2.31m/s，表压为0.75MPa，管道和阀门壁面为绝热壁面。设置边界参数准备模拟热冲击状态。考虑到入口流速较快，为了准确反映流场的变化，保证收敛精度的情况下加快计算速度，对模拟结果进行了试算，最后设定每个时间步为0.02s，总时间步为400步，每个时间步的迭代次数为30次。本模拟以阀门内部流场和温度场变化为主，为了便于计算，所模拟的管道及阀门外表面均假设为绝热表面。
3 数值模拟结果与讨论
3.1 稳态流场温度分布
网格尺寸为0.012，残差标准设为0.001，在迭代235步后计算收敛结束，得到了7℃稳态运行的流场情况，并将作为热冲击过程的初始流场。在7℃稳定运行时，温度分布云图如图2所示。
图2 7℃稳定运行时，总温度分布
3.2 稳态流场压力分布
在7℃稳定运行时，绝对压力与动压分布云图如图3和图4所示。
图3 7℃稳定运行时，绝对压力分布
图4 7℃稳定运行时，动压分布
此时阀体内部温度已均于7℃（不同颜色表示的温度梯度很小），绝对压力为7.5～8.3MPa，符合热冲击初始工况要求。
3.3 稳态流场速度分布
在7℃稳定运行时，流场速度梯度和速度向量计算结果如图5和图6所示。
图5 7℃稳定运行时，流场速度梯度
图6 7℃稳定运行时，流场速度向量
将速度云图与动压云图比较可知，速度分布与动压分布情况相一致。流场的水流速度从阀芯入口开始发生梯度变化，在阀芯调节处，由于间距较小，发生较大的速度梯度变化，流场在通过阀芯后开始充分发展，此时流场已经进入稳态，开始准备接受高温水的热冲击。
3.4 50%开度下动态热冲击过程模拟
3.4.1 动态热冲击流场压力分布
在热冲击过程进行至1s时，计算域内绝对压力和动压模拟计算结果如图7、图8所示。
图7 在热冲击过程进行至1s时，
计算域内绝对压力分布
图8 在热冲击过程进行至1s时，
计算域内动压分布
在热冲击过程进行至5s时，计算域内绝对压力和动压模拟计算结果如图9、图10所示。
图9 在热冲击过程进行至5s时，计算域内绝对压力分布
图10 在热冲击过程进行至5s时，计算域内动压分布
3.4.2 动态热冲击流场温度分布变化过程
图11～图14为不同时刻下流场温度的变化模拟结果（0.2～5.4s）
图11 0.2s、0.4s的流场温度变化
图12 0.6s、0.8s的流场温度变化
图13 1.2s、2.4s的流场温度变化
图14 3.2s、5.4s的流场温度变化
由图11至图14所示的温度分布云图可知，阀门的B向出口（下）达到110℃的出口温度早于A向出口（右上）。温度场变化的过程可以与速度场相联系，如在阀芯出口处的瞬时温度分布可以结合局部的速度场分布来理解，在流动路程相同的情况下，速度较快的区域可以较早达到高温状态。
3.4.3 动态热冲击过程出口平均温度变化
阀门A向（右上）和B向（下）出口的平均出口温度随时间变化曲线如图15、图16所示。
图15 阀门A向出口（右上）平均温度随时间变化曲线
图16 阀门B向出口（下）平均温度随时间变化曲线
由图15、图16可知，阀门的A向出口（右上）约在第250个时间步（根据时间步的选择，即5s时）达到110℃的平均出口温度。阀门的B向出口（下）约第170时间步（根据时间步的选择，即3.4s时）达到110℃的平均出口温度。
4 模拟结果分析
根据阀门50%开度下热冲击流场的模拟结果可知，热冲击进行到5.4s时，流场的温度都趋于稳态，达到了110℃。在热冲击过程中，流量变化不大，整体速度场较稳态运行时的变化也不大。而阀门入口处在进入阀芯前截面积大幅变小，导致水流速度从阀芯入口逐渐发生较明显的增加。截面积在阀芯调节处进一步减小，因此在进入阀芯后，梯度变化更加明显。就流速而言，B向出口（下）的阀芯处速度梯度明显高于A向出口（右上），这可能是因为受此处的阀壁面离阀芯较近，导致流道截面积持续减小，水流持续冲刷阀壁面，产生较大的速度梯度。同时，由于重力的因素，流体更趋向于受重力吸引向下流动。而A向出口（右上）的阀芯处，流体一旦通过阀芯即可得到充分发展，但与B向两边稍对称的流场相比，A向流道的上半部流速远高于下半部流速，加上流道的角度改变，有可能产生部分回流。
在热冲击过程中的温度场变化最为明显，速度也非常快，每0.01s就可以产生很大的温度场变化。而温度场的分布又与速度场紧密联系，在局部区域中（如阀芯出口等速度梯度变化较大处），瞬时温度分布可以结合局部的速度场解释，在流动路程相同的情况下，速度较快的区域自然可以较早达到高温。
根据热冲击过程中两个阀门出口的平均温度可知，在选定的模拟区域内，热冲击过程中，从开始至进入稳态阶段的时间约为5.4s。B向出口温度约于1.5s达到118℃以上。A向出口温度约于2.0s时已经达到115℃以上，满足热冲击试验2.5s内达到指定温度范围的要求。
5 结论
通过模拟结果分析得到承受热冲击的主要部位有三处：阀芯进口处、B向出口及与出口所连接处的直管内壁、A向出口及与出口所连接处的直管内壁。由于这三处受到的热冲击较大，因此比较容易因磨损而发生泄露事故。
针对模拟结果中易磨损部分进行优化改进，由于承受热冲击部分主要分布三处，若整体采用更高强度、硬度材料虽然可以解决由于局部磨损带来的问题，但是大大增加了产品的成本和技术要求，因此得不到广泛应用。采用局部硬化的方案可以有效解决因使整体材料变更带来的成本问题，在这种设计理念下激光拼焊技术发挥着巨大的作用。局部淬火硬化工艺是热成形领域的最新研究方向之一，通过控制不同零件部位的热成形相变使得零件的材料属性在不同部位得到不同的体现，呈现梯度强度特性，这种方案与激光拼焊技术相类似，但此方案只需一步热成形工艺即可完成。还可以通过局部喷涂高分子材料的方法使得易磨损部位能够承受更高的热冲击。因此通过阀门局部的优化，在满足阀门整体性能要求的前提下可提高其承受热冲击的能力。
通过仿真模拟计算并分析模拟结果，不仅为三通阀的优化设计提供了理论指导，还大大缩短了三通阀的优化设计时间，节省了设计费用。是一种可行的三通阀优化设计方法。
来源：调节阀信息网
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发表于 2017-5-1 15:05:04
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