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摘 要：针对某双锥面调节阀，应用三维建模软件建立阀门内部流道模型，通过CFD进行离散求解，得到调节阀的流量特性曲线，与实验数据进行了比较。通过改变双锥面阀芯结构尺寸，再对流道进行数值模拟，得出影响流道结构特性的主要因素。
关键字：双锥面调节阀门 CDF数值模拟 流道结构 特性分析
阀门在核电站各个部门有着广泛的应用，某型核反应堆一回路辅助系统调节阀门是重要零件之一。与稳压器配合使用，当反应堆冷却剂系统压力过高时，比例式喷雾阀开启，并随着压力升高而加大开度，以避免反应堆冷却剂系统的完整性遭到破坏，使稳压器压力回到设计值。该阀门采用流量控制精度高的双锥面阀芯，2个锥面的几何尺寸是决定阀门控制调节能力的非常重要的设计参数，传统的研究手段是采用试验方法，对阀门的外部特性，如进出口压力差、流量系数等，进行测量和分析，而对流体在阀门内部流动情况则很难知晓。
近年来，为了解阀门内部流场分布，探寻各流动参数的变化规律，计算流体动力学（CFD）技术应用到该领域是一种非常有益的探索。英国GECALSTHOM公司的E.N.Jalmraes（Ceng）工程师对高压蒸汽涡轮阀门内部三维黏性流场进行了分析，应用高雷诺数的方程模型，并进行不同开度下的稳态模拟计算，获得了压力场、速度场分布情况。中国科学院热物理研究所与北京全三维动力工程有限公司合作，由沈阳等人利用CFD技术对高压联合进气阀内的三维黏性流场进行分析，并对其几何结构进行了改进，为阀门结构优化提供了重要依据。徐克鹏、蔡虎等人详细分析了大型汽轮机主汽调节阀阀门内部的流场结构，对流动现象提出了合理解释，得出了阀门的流量分配关系，能量损失分布情况，讨论了能量损失产生的机理，并进行了实验验证。
本文采用FLUENT流体分析软件，对某型双锥面高精度调节阀进行数值模拟，详细分析了4种优化双锥面结构的阀门内部流场特征，数值计算结果与实验数据进行对比分析。研究结果可为同类阀门的设计和试验提供借鉴。
1 双锥面调节阀结构模型
通过三维建模软件Pro/ENGINEER建立了某型双锥面高精度调节阀流道模型。该阀门主要由阀体、阀芯、阀座和密封组件等组成。阀门的公称通径为DN25，工作压力为1.6MPa，压差不低于0.5MPa。如图1所示。
图1 双锥面调节阀内部结构示意图
调节阀门流道是锥阀腔内的流动空间，即连通进口与出口的空间。图2所示的流道模型是从图1中提取的三维模型，由图2可知，流道进口方向与出口方向之间呈90°夹角，从入口进入阀腔的流体，流经阀芯与阀座构成的节流通道，通过阀体腔，最终从出口流出。
图2 双锥面调节阀流道模型
2 仿真计算
2.1 划分计算网格
流道模型建立后，模型的计算网格划分是非常重要的一步。为保证计算精度，划分网格时，遵循以下2个原则：原则1：不规则结构区域网格密于规则结构区域；原则2：流动强烈区域网格密于缓慢区域。本模型阀芯锥面头部附近遵照原则1进行加密处理；模型阀座附近遵照原则2进行加密处理。在上述原则的基础上，根据计算能力选择网络数量并进行网格划分。模型选择四面体非结构网格，对流道重点部位和流动剧烈的地方进行网格加密，并对不同网格数量下的网格品质进行了比较。依据计算机的性能，本模型确定体网格总数在30万左右。得到如图3所示的稳态计算网格。
图3 流道模型网格划分
2.2 边界条件
计算模型采用k－ε湍流模型，采用隐式Segregated法。流体状态边界为，介质采用水蒸汽，作可压缩流体考虑。重力加速度为9.8m/s2，湍流强度取3%，设置进口面边界为压力进口（1.6MPa），入口直径为24.6mm，出口面边界为压力出口（1.1MPa），出口直径为25.5mm。计算精度控制采用SIMPLE算法，残差精度设为10-5。
2.3 计算结果
调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对位移（阀门的相对开度）之间的关系：
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式中：Q为调节阀在某一开度下的流量；Qmax为调节阀全开流量（最大流量）；l为调节阀在某一开度下阀芯位移；L为调节阀全开时阀芯位移。
通过改变阀芯与阀座之间的通流面积，便可控制流量。将阀芯在不同位移下的模型依次进行数值计算，得到相应的质量流量，通过计算得出阀门在不同位移下的相对流量。阀芯相对开度与相对流量变化曲线如图4所示。
图4 相对位移与相对流量变化曲线
从结果可看出，阀门在初始打开阶段，相对流量变化比较缓慢，随着开度增加，相对流量变化加快。相对流量变化较大的范围在相对位移50%～100%，变化量为0.835；0%～50%，相对流量变化只有0.165。与阀门实际工作情况基本相符，即小开度精调，大开度控流量。
流体在流过阀门时，压力最大的位置分别出现在阀门进口、背对出口流道和阀芯头部（压力最大达到1599361Pa）。通过锥心时压力降低到137029Pa，随着流体的流动，过流截面积不断增大。当流体全部通过阀门以后，流体的压力逐渐恢复（151347Pa）。流道压力云图见图5。
图5 流道流体压力分布
3 流道特性分析
对该调节阀流道结构分析可知，在阀门的进出口几何尺寸、开度确定的情况下，阀芯几何形状是影响阀门的流通性能的最主要的影响因素。因此，选择正确的阀芯锥角几何尺寸非常重要。
双锥面阀芯几何尺寸定义见图6。阀芯锥角几何尺寸由2个锥面的半角α1、α2和锥台高度h1确定。
图6 双锥面阀芯几何尺寸定义
在保持2个锥面半角α1、α2不变的情况下，相对流量随着锥台高度h1的增加而减小；保持锥台高度h1不变，相对流量随着锥面半角α1、α2增加而增大。实际双锥面阀芯3个参数是互相关联和制约的，参数的匹配关系是流量特性的决定因素。3个几何参数与相对流量变化关系如图7所示。
图7 几何参数与相对流量变化关系
对建立的4种锥芯尺寸进行数值计算，并把计算结果与实验数值进行比较。模型1是α1=α2，即处于单锥面状态，流通规律与实验结果基本一致，但是相对误差比较大，最大值为0.168；模型2的h1偏大，模型4的α1偏大，两个模型的流通规律与实验结果基本一致，模型2在开度较大时产生很大误差，最大值为0.237，模型4在阀芯处于中间位置时产生很大误差，并且流量控制不稳定，最大误差为0.255；优化后的模型3的流通规律与实验结果有很好的一致性，并且误差比较小，最大误差仅为0.046。结构优化流量特性如图8所示。
图8 优化模型数值计算曲线
4 结论
运用理论分析、数值仿真相结合的方法，对双锥面阀门流道进行系统、深入分析。计算结果表明：通过数值模拟所得到的结果与实验数据有较好的一致性。这有助于提升阀门优化设计水平，缩短设计周期，降低人力和试验成本，具有重要的现实意义；在对双锥面阀芯结构尺寸充分分析的基础上，给出4种结构模型，模型3的仿真结果与实验数据基本一致，该模型可满足实际阀门设计要求；研究成果可为双锥面调节阀门后续优化设计和试验提供理论依据。
来源：调节阀信息网
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发表于 2017-6-7 12:21:00
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