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梭式止回阀开启过程的数值模拟

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Numerical simulation of opening process of shuttle check valveLi Liangchao,Zeng Xiangwei,Xiang Kefeng,Xu Bin,Song Danlu(School of Manufacturing Science and Engineering,Southwest University of Science and Fechnology,Mianyang,Sichuan 621010,China)Abstract:The flow field in a shuttle check valve was numerically simulated by using the CFD methodtO examine whether the valve is subjected to cavitating flow during its opening process.A user definedsubroutine and a dynamic mesh technique were used to involve the pool motion.The results show thatthe fluid flows mainly along the valve wall and backflow foFined in the center of the valve during its O-pening process.And there have vortices existing in the shutle valve.Cavity onsets easily in the centerof the vortex as the pressure there is the lowest.The inception and development of cavitation in thevalve are closely related to the inlet and outlet pressure and valve opening degree.Furthermore,eavi-tation can cause flow instabilities.It iS demonstrated that under a certain pressure difierence.the valvespool is opened to the maxinlunl degree initially and then gradually rebound to a stable position withfluctuating steps。

Key words:shuttle check valve;opening process;cavitation;computational fluid dynamics;n1merical sim]u1at nn梭式阀是通过管道系统 自身能量来实现系统启闭操作的-种智能阀,可以在无外界提供动力源和控制电源的条件下,根据系统内流动状态,快速判断并实现管道系统的过流保护和启闭操作.闪其结构简单、操作方便和高度智能等特点,在化工、机惩海上石油等领域得到了广泛应用 .许多学者收稿日期:2012-05-15基金项目:四川势技厅应用技术研究与开发项 目(2012JY0050)作者简介:李良超(1976-),男,安徽桐城人,讲师,博十(tchlc###126.core),主要从事多相流体混合和液压元件内流体流动研究曾祥炜(1944 ),男,重庆市中人,教授(kxzxw###163.cnn1),主要从事流体控制研究。

l 711啊- 对梭式阀进行了研究 .如任予鑫等 对梭式阀的降噪特性进行了数值模拟研究;陈昆等 对梭式阀管道系统内的水击特性进行了分析;吕少力等对梭阀试验台液压系统进行了改进等.但对梭式阀在启闭过程中阀瓣的运动特性以及在高压差条件下阀内流体可能出现的空化气穴现象的研究还少见报道.液压阀在启闭过程中流倡不稳定,而气穴是液压元件内-种常见的有害现象,不仅会对元件的表面造成物理损坏,还会诱发振动和噪音,导致环境污染等 ,因此有必要对梭式阀启闭过程和阀内的气穴流厨行研究.文中根据梭式阀的运动特点,建立阀瓣运动模型和流场的气穴模型,采用计算流体力学软件 Fluent 6.2对梭式止回阀开启过程中阀瓣的运动特性和阀内气穴流厨行数值模拟并实现可视化,为梭式止回阀结构参数的设计和优化提供参考。

1 模拟对象1.1 几何模型梭式阀根据其结构的不同可实现单向节流、单向逆止、双向节流和双向截止等功能.文中研究的梭式单向止回阀,其结构如图 1所示.在人口压力的推动下,阀门开启到-定的开度,流体对阀瓣的作用力和弹簧的阻力平衡,阀瓣处于稳定状态.当出、人口压力变化时,阀门开度在新的条件下平衡,从而实现了梭式止回阀对管道系统的流动控制。

阀图 1 梭式止回阀结构示意图Fig.1 Schematic of structure of shutle check valve1.2 模拟条件模拟的梭式止回阀对实际梭式止回阀进行了部分简化.因支撑架对流惩阀瓣运动的影响不大,在模拟中对其进行了忽略.对弹簧没有考虑其形体对流场的影响,但考虑了弹簧阻力对阀瓣运动的影响.简化后的梭式止回阀如图2所示,其入口直径为 8O mm,出口直径为 92 mm.考虑在开启过程中阀内局部负压下可能产生气穴现象,模拟的物系为常温水和水蒸汽.阀的进 口压力为 0.5~0.8 MPa,出口压力保持为 0.2 MPa,考察在不同的进 口压力条件下,阀内的流场变化和阀瓣的运动特性。

图2 模拟的梭式止回阀结构Fig.2 Structure of shuttle check valve in simulatlon简化后的梭式止回阀为中心轴对称结构,所以采用二维轴对称模型模拟.采用 Fluent的前处理网格生成软件 Gambit建立二维模型并采用四面体网格划分,初始态时总网格数为 77 162,经试算发现,再增加网格数量对计算结果已基本没有影响。

2 数学模型2.1 基本控制方程文中采用 Fluent6.2软件中多相流的Mixture模型对阀内的气穴流场模拟,假设流体为黏性不可压缩流体,在不考虑温度变化的条件下,气 -液混合相的质量和动量守恒方程如下:质量守恒方程杀(p1)V。( )0, (1)动量守恒方程号(p )V·(p )-VpV·[ (V V )]Fp gV(∑n , ), (2)式中:P , 为混合相的密度和速度; 为气 -液相对滑移速度。

气 -液相问的曳力求解采用 Schiler-Nau-m ann 曳力系数模型.对壁面边界层采用标准壁面函数处理;流体湍动采用标准 - 湍流模型。

2.2 气穴模型液相在负压下空化为水蒸汽,水蒸汽所占的质量分率可由其输运方程求得,即(P )V(p )V( V )尺 -尺(3)式中:R 和R 分别为水在低压下的汽化速率和水动速度最大.在0.080 s左右,阀瓣的开启达到基本稳定状态,阀瓣稳定时的开度约7.8 mm,此时阀瓣的波动振幅和速度都很小.开启过程和稳定时阀瓣的波动幅度和进出口压差及阀内气穴相关,特别是阀内产生大量气穴时,由于气穴对阀内流场的影响,即使是在阀开启相对稳定时,阀瓣的波动幅度都还较大,这种波动如同阀瓣固有振动同步将会产生严重后果。

1412l08642- 阀瓣位移随刚间变化itI1线- 阀瓣速度随时间变化曲线、 b. ~ I ,L 。 。。 。 。。

s。舶 。 。。 。 。 o02- 1县0. 1图8 梭式止回阀开启中阀瓣位置与速度变化图Fig.8 Location and velocity of valve spool in opening process4 结 论文中采用计算流体力学的方法,建立阀瓣运动模型和在高压差条件下流体气穴模型,对梭式止回阀开启过程进行了数值模拟,得出结论如下:1)梭式止回阀开启稳定后阀内流型为流体主要沿阀壁流出,阀内有涡流,在涡流涡心处流速很小;受涡流影响,阀体中部有回流现象。

2)梭式止回阀开启过程中压力分布在不断变化,在阀内涡流涡心处压力很低易产生气穴,阀瓣迎流面中心压力很高,而背流面压力则较低。

3)当进出口压差很小时,开启过程及稳定后阀内都无气穴产生;当进出口压差相对较大时,在开启过程中出现气穴,但稳定后气穴逐渐消失;当进出口压差很大时,在开启过程和阀瓣稳定后,阀内都有气穴存在;气穴的存在不利于阀内流场的稳定。

4)压差开启过程中阀瓣不稳定,阀瓣首先开启到-极大开度,并逐渐以波动形式回归到-稳定开度,阀瓣运动到稳定开度附近时速度最大.在进口压力为 0.5 MPa时,梭式止回阀从接受信号到完全开启的响应时间只在 0.100 s左右,说明梭式止回阀的灵敏度非常高。

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