内流式锥阀流场的数值模拟与结构优化

第ｌ１卷第３０期２０１１年ｌ０月　科学技术与工程　ＶＯ１．１１　Ｎｏ．３０　Ｏｃｔ．２０１１　１６７１—１８１５（２０１Ｉ）３０—７５２７—０４　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　⑥２０１１　Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ．　内流式锥阀流场的数值模拟与结构优化　李玉利　（东北石油大学石油工程学院，大庆１６３３　１８）　摘要运用ＰＨＯＥＮＩＣＳ流体计算软件，建立了锥阀的物理结构和参数的计算几何模型。采用了结构化正交局部加密网格。　应用了ｋ－８湍流计算模型，对内流式锥阀的内部流场进行了模拟仿真。提出了优化方案，并对其进行了ＣＦＤ验证，研究了流　量变化、开启度变化对锥阀流场特性的影响。研究结果对于分析锥阀的性能、进行流道的结构优化和实际工程应用都具有一　定的指导作用。　关键词锥阀　计算流体力学　数值模拟　文献标志码流量系数　Ａ　中图法分类号ＴＥ８６３．１；　阀门是流体系统中，用来控制流体的方向、压　力、流量的装置，锥阀是其中一种，应用广。因为流　体在锥阀中的实际流动情况是很复杂，对锥阀的能　３０　ｍｍ，ｄ６＝２０　ｍｍ，口＝４５。，ｋ为开度（见图１）。　对此模型的相关假设如下：　（１）锥阀内流动的液体为不可压缩流体，液体　量利用率、流体噪声、作用于阀芯上的动力等性能　会产生重大影响，因此，对锥阀内部流场进行模拟　研究就非常有意义了¨　。　阀座　密度为常数，即　＝０，Ｐ为流体密度；　（２）假设阀芯与阀套配合比较精确，无径向间　隙，也没有泄漏；　（３）忽略流体质量力的影响；　（４）假定系统内部流体无热传导发生；　（５）壁面处无滑移，固定壁面处速度为零；　（６）流动状态为湍流，采用标准ｋ－ｅ湍流模型。　１．２数学模型　湍流基本方程：　Ｏｕｉ～：ｄ　ｉ　０　（１）　湍动能ｋ：　图１　内流式锥阀的结构简图　Ｇ　一　老　ｋ＝÷　湍流耗散率　：　＝　（２）　（３）　１模型建立　１．１几何模型　内流式锥阀主要是由阀座和阀芯组成。尺寸　为：ｄ＝１０　ｍｍ，ｄ１：ｄ２＝１００　ｍｍ，ｄ３＝１５　ｍｍ，ｄ５＝　（等）（簧）　（４）　流量系数Ｃ　：　（５）　２０１１年７月２７日收到　作者简介：李玉利，男。硕士。Ｅ—ｍａｉｌ：ｄｆｌｋ１２６＠１２６．ｃｏｍ。　３０期　李玉利：内流式锥阀流场的数值模拟与结构优化　图６开度为５　ｒｎｍ速度等值图　３．３　内流式锥阀的结构优化　由理论分析可得，漩涡的存在是各种阀类能量损　失和噪音主要原因之一。从分析模拟计算结果来看，　在内流式锥阀流道里面形成了三个漩涡，对内流式锥　阀的能量损失和噪音产生起Ｉｉｌｉｉｌｉｉ大的作用　。　对阀芯处的改进，可以改变内流式锥阀的阀心　结构，即改变ｄ的大小；　对阀座的改进，可以改变锥阀阀座的结构，达　到消弱或消除漩涡的目的，即改变　的大小。　３．４流量系数的计算　流量系数值是定义为单位时间内、在测试条件　中管道保持恒定的压力，管道介质流经阀门的体积　流量，或是质量流量，即阀门的最大流通能力。阀　门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系　数值大，说明阀门的流通能力大，流体流过阀门时　的压力损失小（见图７，图８）。　图７开度、流量与流量系数的关系图　图８优化前后的流量系数对比图　如图７所示，流量一定时，随着阀口的开度增　加，流量系数减少；当开度一定时，流量越大，流量　系数越大。当开度增加到一定值时，流量系数趋于　平稳。阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指　标，流量系数值大，阀门的流通能力大，流体流过阀　门时的压力损失越小。而图８中显示在相同的条件　下，优化后的流量系数比优化前的流量系数大。说　明优化后的锥阀的流通能力大，压力损失小，因此　锥阀的优化方案是可行的　。　４结论　（１）利用ＰＨＯＥＮＩＣＳ软件对内流式锥阀的内部　流场进行了数值模拟，阐明了开度、流量变化对锥　阀流动特性的影响，得出流体在通过锥阀节流口处　时，流速增加，压力减小；在阀　和阀座的拐角处产　生了漩涡，能量损失与漩涡的区域的强度、大小和　过流断面的面积有关；在流量一定时，阀的开度增　加，漩涡强度加大，噪音和能量损失增加；在开度一　定时，流量增加，压差加大，漩涡区域越明显。　（２）根据对模拟结果的分析，提出了锥阀的一　种优化结构，即消除锥阀阀芯结构上的凹角、将阀　座拐角处由直角转变为倒角，并对其进行ＣＦＤ解　析，验证了锥阀优化方向的可行性　Ｉｏ　Ｊ。　（３）计算了锥阀在不同流量不同开度下的流量　系数，得到了流量系数和开度、流量之间的关系：在　其他条件不变时，流量越大流量系数越大，即阀的　７５３０　科学技术与工１—２６　程　１１卷　流通能力越大；在其他条件不变时，流量系数随着　开启度的增加而减小，当开启度增加到一定值时，　流量系数趋于平稳。　（４）计算了锥阀优化前后的流量系数，得知在　２　Ｔｓｕｋｉｊｉ　Ｔ．Ｆｌｏｗ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｎ　ｏｉｌ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｖａｌｖｅ　ｕｓｉｎｇ　ｖｏｒｔｅｘ　ｍｅｔｈｏｄ．日　本机械学会论文集，１９９９：６７—７２　３许慧，赵斌．液压锥阀内部流场ＣＦＤ动态仿真．机械管理开　发，２００７；（６）：５５＿５６　４王艳珍，王国志，于兰英．水压锥阀流场的ＣＦＤ解析．机械与液　压，２００３；（１）：９５—　６　５傅德熏，马延文．计算流体力学．北京：高等教育出版社，２００２：　１—８．３５—　７　相同条件下，优化后的锥阀流量系数比优化前的流　量系数大，因此优化后的锥阀流通能力大，压力损　失小。　参考交献　６陶变铨．数值传热学（第二版）．西安：西安交通大学出版社，２００１　１　张利平．液压阀原理、使用与维护．北京：化学工业出版社，２００９　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｆｌｏｗ　Ｆｉｌｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｗａｒｄ　Ｆｌｏｗ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｐｏｐｐｅｔ　Ｖａｌｖｅ　ＬＩ　Ｙｕ．１ｉ　（Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｑｉｎｇ　１６３３１８，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］ＰＨＯＥＮＩＣＳ　ｌｉｑｕｉｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｅｄ，ｂｕｉｌｔ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｐｏｐｐｅｔ　ｖａｌｖｅ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ，ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ　ｌｏｃａｌ　ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｋ－ｅ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｃｏｒｎ—　ｐｕｔａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ，ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｔｈｅ　ｉｎｗａｒｄ　ｆｌｏｗ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｏｐｐｅｔ　ｖａｌｖｅ，ｏｕｔｌｉｎｅｄ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｒｕｎｎｅｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ｐｒｏｇｒａｍ，ａｎａｌｙｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ＣＦＤ．Ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｆｌｏｗ　ｑｕａｎｔｉｔｙ，ｏｐｅｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｉｓ　ａｎａｌｙｓｅｄ，Ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｒｅ－　ｓｕｈ　ｗｉｌｌ　ｇｉｖｅ　ｄｉｒｅｃｔｉｖｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｐｏｐｐｅｔ　ｖａｌｖｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｌｏｗ　ｒｕｎｎｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｐｏｐｐｅｔ　ｖａｌｖｅ　ｌｆｕｉｄ　ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔ