基于CFD的垂直管路中先导式截止阀动力特性研究

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第31卷 第 5期2013年 10月轻工机械L ht industry M achineryVo1．3l N0．50c【．2013[研究 ·设计] DOI：10．3969／j．issn．1005—2895．2013．05．005基于 C F D的垂直管路中先导式截止阀动力特性研究卢安乐 ，钱锦远 ，张 含 ，王建凯 ，金志江摘 要：提 出了一种适用于垂直管路 中的先导式截止阀结构，其基本工作原理是通过控制先导阀并利用流体在流动过程中产生的压力差实现对主阀的开启与关闭，结构紧凑、反应速度快、驱动能耗低。运用计算流体力学方法(CFD)研究了该阀开启过程中不同阀芯高度下的流体压差变化情况，分析了不同流体出口静压、阀芯小孔直径以及入口速度对阀芯上下表面流体压力差的影响 研究结论对于该阀门的优化设计具有重要的参考价值。

关 键 词 ：垂直管路；先导式；截止阀；计算流体力学方法(CFD)；动力特性中图分类号 ：TH137．52 文献标志码：A 文章编号：1005-2895(2013)05-0015-05CFD Analysis for Dynamic Property of a Pilot-OperatedCut-off Valve in Vertical PipelineLU Anle ，QIAN Jinyuan ，ZHANG Han ，WANG Jiankai ，JIN Zhij iang(1．Institute of Chemical Machinery＆Equipment，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2．Shanghai Nuclear Engineering Research& Institute，Shanghai 200233，China；3．China Tianchen Engineering Corporation，Tianjin 300400，China)Abstract：A pilot．operated cut—of valve which can be used in vertical pipeline was put fm~vard．The opening or closingprocess of the main valve is controlled by a pilot valve utilizing the pressure difference which fbrms when the fluid flowsas its motive power．Comparing with the traditional type of valve，it has the advantages as following：simple structure，small driving device and quick response．The change of pressure diference during the opening process was simulatedwith CFD method． The influence of outlet pressure．orifice diameter of valve core and inlet velocity on pressuredifference was studied as wel1．The research conclusion has important reference value to the provided guidance on thedetermination of orifce diameter，and reduces the blindness of structure design.

Key words：vertical pipeline；pilot—operated；cut—of valve；Computational Fluid Dynamics(CFD)；dynamic property截止阀是流程工业管路系统中必不可少的设备，发挥着截断或接通管路流体的作用。目前，截止阀的启闭运行主要靠手动 、电动、液动、气动及联动等驱动方式执行，其中手动方式启闭速度缓慢、自动化程度低，其它几种方式则存在驱动机构庞大、运行能耗高等缺点。为此，课题组于2008年提出了一种新型的先导式截止阀并申请了国家专利 ，但该截止阀仅适用于水平布置的管路系统中。文章在上述工作的基础上提出了一种适用于垂直管路中的先导式截止阀，其特点是利用阀门内部流体在流经阀芯处小孔时产生的压力差作为阀门开启的动力，并通过先导阀的启闭来控制该动力的产生与消逝，从而实现以小阀门(先导阀)启闭影响大阀门(主阀门)启闭的工作原理。

目前，国内外学者对截止阀内部流场特点、工作特收稿 日期 ：2013—01—11；修回日期：2013-01—15基金项目：浙江省重大科技专项项 目(2012C1 1018—1)作者简介：卢安乐(1988)，男，浙江温州人，硕士研究生 ，主要研究方向为高效节能技术与装备。通信作者：金志江，E—mail：jzj###zju．edu．cn· 16· 轻工机械 Light Industry Machinery 2013年第5期性等进行了深入的研究。Yoon等 采用i维湍流模型分析了截止阀巾的流场分布情况，结合压力分布研究截止阀流场中的空化现象；Davis和 Stewart 利用CFD数值模拟与实验相结合的方法提f}j了采用轴对称面模型准确预测上下运动控制阀的流量系数与固有特性的方法；袁新明等 利用 RNG 一 紊流模型对截止阀流场进行数值模拟，并通过粒子成像流速仪对数值模拟结果进行实验验证，证明 RNG 一s紊流模型能够很好地预测截止阀及其管段的流动。

在文巾提出的先导式截止阀中，压差力的大小直接影响了该阀门的启闭特性，因此通过建立该阀门的计算流体力学模型，研究在开启状态时阀芯位置、流体出口静压、阀芯小孑L直径以及入口速度对压差力大小的影响，为该阀门的优化设计提供重要的理论依据。

1 原理介绍适用于垂直管路的先导式截止阀结构如 图 1所示 .

图 1 先导式截止阀结构示意图Figure 1 Structure diagram ofpilot-operated cut-of valve具体工作过程如下：假定阀门在初始阶段处于关闭状态，此时先导阀关闭，阀芯内外由于阀芯底部小孑L的存在使流体压力一致，阀 卷在自重和弹簧力的作用下与阀座闭合，阀门处于关闭状态。当打开先导阀，先导管连通，阀芯外部流体通过小孔流入阀芯内部，而流体通过4qL时流动截面急剧收缩引起的压力损失使得阀芯内部流体压强p。下降，阀芯内外产生流体压差P一 p ，当此压差足够大时，阀芯在压差力作用下开启；若此时关闭先导阀，先导管不通，阀芯内部流体压强逐渐增大直至与外部压力相等，此时在阀芯自重与弹簧力的作用下，阀门关闭。

通过对阀门工作过程的分析，可以看到压差力的大小不仅决定了阀门能否正常开启，同时也影响着阀门的启闭速度、阀芯所处的稳定位置等重要的阀门特性，因此对压差力的研究是该阀门启闭特性研究中的关键环节。

2 数值模拟2．1 计算模型及其网格划分南于先导式截止阀内部流场复杂，为保证数值模拟计算的效率和精度，在计算模型的建立过程巾，在保证对总体内部流场没有影响的前提下，对阀门结构作了合理的简化，并加长模型的出口管段以避免回流现象，最后将建好的计算模型导人到 ICEM中划分网格。

图2为 DN 100的先导式截止阀网格模型罔。

图 2 先导式截止阀网格模型Figure 2 Grid model of pilot-·operated cut—-of valve2．2 边界条件先导式截止阀采用速度入 口与 力出口边界条件，以液态水作为介质，针对先导阀的开启或关闭状态，分别在先导管出口处采用 Outflow或 Wal边界条件。计算过程中采用 N—S控制方程配合 RNG 一 湍流模型l J，方程中对流项采用二阶迎Jxl格式进行离散并采用 SIMPLE算法求解。

3 结果分析3．1 阀门开启过程阀芯的受力微分方程可以写作|仇 = 一( P2)s+C。+mg+／等(1)式中：m——阀 质量／kg；K一弹簧刚度／(N·m )；P ，P 一阀芯内外两侧的压强／Pa；S一阀芯横截面面积／m ；Cn一弹簧预紧力／N；[研究 ·设计] 卢安乐，等 ：基于 CFD的垂直管路中先导式截止阀动力特性研究产_阀芯运动中的阻尼系数／(N·s·m )。

对于给定阀门，弹簧预紧力，阀门自重为定值，忽略阀芯运动过程中的阻力，式(1)可写作r12 ，一 m鼍 =Ky一(Pl—P2)S+C (2)U在阀门开启过程中， +C为阀门开启的阻力，而(p 一P )S则是阀门开启的动力，当阀门开启的动力足够大时，阀门才能正常开启并达到全开状态。

对于公称直径为DNIO0，小孔直径 d=6 mm，先导管直径 D=15 mm，流体入口速度 =2 m／s，出口静压为2．5 MPa的先导式截止阀，阀芯处于不同位置时内外两侧压差大小如图3所示。

由图 3可知，随着阀门的开启，阀芯逐渐向上移动，阀芯上下表面的压力差呈现先急剧减小，后慢慢减小的趋势，但P。始终大于P ；与此同时，阀门的开启阻力 则不断增大，因此阀芯处所受合力大小不断减小重_R图3 不同阀芯位移下阀芯上下表面压力差Figure 3 Pressure difference of differentvalve core displacement根据阀芯受力情况的变化可以预见，先导式截止阀的开启过程有2种形式：1)直接达到全开状态。当压力差大于某一特定值时，阀芯所受合力始终向上，阀芯一直向上移动直至到达最高点，此时阀门达到全开状态。

2)波动开启。当压力差不足以使得阀芯直接到达最大位移处时，先导阀开启，阀芯开始向上运动，弹簧力逐渐增大而压差力逐渐减小，当弹簧力与重力之和大于压差力时，阀芯向上运动的速度随之逐渐减小为 0；此后阀芯逐渐下降，弹簧力减小而压差力增大，当压差力大于弹簧力与重力之和时，阀芯向下运动的速度随之逐渐减小为 0，阀芯复又上升。以上过程周而复始，阀芯呈现以受力平衡点为中心，上下波动的运动特点，并最终稳定在受力平衡点。

3．2 全开状态下压差力大小的影响因素针对 DN100，先导管直径 D=15 mm的先导式截止阀，研究其在全开状态下，各个因素对阀芯两端压差力大小的影响。

3．2．1 出口静压对压差大小的影响取人口流速 =2 m／s，改变模型的出口静压大小，／I~TL直径为6 mm的活塞式阀芯上下表面所受压强如表 1所示 。

表 l 不同出口静压下阀芯上下表面压力差Table 1 Pressure diference of differentoutlet static pressure3．2．2 小孔直径对压差大小的影响保持其他条件不变，阀芯处小孔直径分别为4，6，8，12，16 mm的截止阀在不同的人口速度条件下，阀芯上下表面压力差大小如图4示。

4 6 8 1O 12 14 16小孔直径 ／nml图4 不同小孔直径下阀芯上下表面压力差Figure 4 Pressure difference of differentorifce diameter由图4可以看出，当阀芯处小孔直径较小时(d=4～8 mm)，阀芯上下表面压力差对小孔直径大小不敏感；当阀芯处4,TL直径超过一定值后(d>8 mm)，阀芯上下表面压力差随着fl,TL直径的增大不断减小。小孔直径的大小从两方面影n~4,TL附近的流场分布，一方面，随着阀芯处4,TL直径的逐渐减小，小孔处的节流作用增强，通过4,TL的流体速度增大而压强减小，使得压力差增大；另一方面4,TL直径的减小又使得流动阻力加 m 8 6 4 2Bd轻工杌械 Light Industry Machinery 2013年第5期增大，更多的流体通过主流道流出，通过小孑L的流量减小，阻碍了通过小孔流体速度的提高。分析在上两方面影响共同作用下，4qL直径对通过小孑L处流体的流速的影响如表 2所示。

表 2 通过不同直径小孔的流量与流速Table 2 Flow rate and velocity throughorifice of different diameter分析不同4qL直径对阀门内部压力分布的影响，当人口流速为 =2．5 m／s，阀 处&TL直径分别为 d= 4 inn、16 mm时的压力等值线图如图5所示。从图中可以看出，4qL直径的改变对阀门主流场的压强分布影响较小，阀芯下表面处的压强相近，两种情况下均为614 kPa左右；而由于通过直径较d,4,TL的流体流速较快，随之产生的压力降也更大，4fL直径 d=4 mm时阀芯上表面压力为600 kPa，明显小于 d=16 mm时的压力值 606 kPa，使得 d=4 toni时阀芯上下表面压差较大。

(a)d：4 am (b)d=16 nlin图5 不同小孔直径下对称面压力分布 图／PaFigure 5 Pressure contour on the symmetricalplane of different orifice diameter3．2．3 入口速度对压差大小的影响从图4中也可以看出，不同4qL尺寸的先导式截止阀，其阀芯上下表面压差均随着入口速度的增大而变大。针对这一结论，从流场角度分析不同入 口速度对阀芯上下表面压力差的影响，4qL直径 d=8 mm的阀门分别在流体入口速度为 =l m／s和 =2．5 m／s时的压力分布图如图6所示。

(a) =I瑚 s (b) =2．5 m／s图6 不同入 口速度下对称面压力分布图／PaFigure 6 Pressure contour on the symmetricalplane of different inlet velocity在图6中，流体人口速度为 1 m／s时阀芯下表面压力约为602．6 kPa，2．5 m／s时阀芯下表面压力约为614 kPa，而阀芯上表面压力均约为600 kPa。南此可知，随着流速的增大，流体与阀 下表面碰撞引起流向的改变，使得更大一部分的动压转变为静压，阀芯下表面压强随之增大；而入口流速的增大虽然也使得通过／J,~L的流体流速增大，但这一影响并不显著，不同流速下阀芯上部压力分布较为相似。在以上因素的共同作用下，阀 上下表面压力差随着流速的增大而增大。

4 结论1)提出了一种适用于垂直管路安装的先导式截止阀结构，其基本工作原理是通过控制先导阀并利用流体在流动过程中产生的压力差实现对主阀的开启与关闭，结构紧凑、反应速度快、驱动能耗低。

2)研究了不同开度下阀芯上下表面压差的大小，并结合阀芯的受力微分方程预测了阀门的两种可能开启形式：直接达到全开状态与波动开启。

3)当阀门处于全开状态时，研究了不同出口静压、4qL直径、人口流速对阀芯上下表面压差大小的影响，同时指出4,TL直径与人 口流速对流场中压强分布影响的不同之处：4qL直径大小主要通过对4qL处流速的影响，从而改变阀芯上表面的压力分布；而不同的入口流速下，流体与阀芯下表面碰撞所产生的静压增量不同，从而形成了不同的阀芯下表面压强分布。

(下转第 25页)[研究 ·设计] 和伟超，等 ：电动汽车驱动电机水冷系统的设计及其温度场分析 ·25·的高度与厚度应该保持一个合适的比例，以提高传热效率；5)水冷系统的进水流量需合理，以取得水泵低耗能与水冷高效率之间最优平衡，针对文中所研究的水冷系统，进水流量宜取0．25～0．50 kg／s。

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