防水錘節(jié)能球形核級(jí)止回閥流道設(shè)計(jì)

防水錘節(jié)能球形核級(jí)止回閥流道設(shè)計(jì)

1閥口流阻試驗(yàn)對(duì)于工業(yè)中常見(jiàn)的供液管道系統(tǒng)，泵出口停止對(duì)防止因逆轉(zhuǎn)而突然中斷的泵閥機(jī)組的飛轉(zhuǎn)率起著非常重要的作用。然而,止回閥在自行關(guān)閉時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的關(guān)閥水擊,而水擊壓力大大超過(guò)系統(tǒng)工作壓力,故可能危及系統(tǒng)安全。同時(shí),閥門(mén)的設(shè)計(jì)除了滿足流量的基本要求外,最重要是流阻的大小、是否有脫流或漩渦存在,它關(guān)系到能源的消耗,也影響生產(chǎn)成本的高低和產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。新型節(jié)能球形止回閥是根據(jù)減小流阻和消除水錘理論設(shè)計(jì)的一種大口徑多流道止回閥,該閥采用“獨(dú)立式”多流道閥體,流體通過(guò)不同的流道在進(jìn)入和流出閥體時(shí),互不干擾。本文以新型多流道球形止回閥為研究對(duì)象,分別針對(duì)不同工況條件的閥門(mén)內(nèi)流道進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助建模和CFD分析,將幾何模型與CFD結(jié)合起來(lái),數(shù)值模擬了幾種不同的水力模型,分析了該閥門(mén)內(nèi)部流動(dòng)的流態(tài)、流阻等特性,并進(jìn)行了相應(yīng)的流阻、水錘試驗(yàn),將模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了CFD方法在閥門(mén)內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬上的可靠性以及該球型止回閥節(jié)能和防水錘的特點(diǎn)。在計(jì)算中還獲得了一些重要的流動(dòng)現(xiàn)象,為改型設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。2流量特征值的模擬和實(shí)驗(yàn)2.1數(shù)值模擬(1)化率任何流動(dòng)問(wèn)題都必須滿足質(zhì)量守恒定律,即單位時(shí)間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加,等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一定律,可以得出質(zhì)量守恒方程:?u?x+?v?y+?w?z=0(1)?u?x+?v?y+?w?z=0(1)式(1)中的u、v和w分別為三個(gè)坐標(biāo)方向的速度分量。動(dòng)量守恒定律也是任何流動(dòng)系統(tǒng)都必須滿足的基本定律,即微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。按照這一定律,可以得出動(dòng)量守恒方程:?(ρu)?t+div(ρuu)=div(μgradu)-?p?x+Fx(2)?(ρu)?t+div(ρuu)=div(μgradu)??p?x+Fx(2)?(ρv)?t+div(ρvu)=div(μgradv)-?p?y+Fy(3)?(ρv)?t+div(ρvu)=div(μgradv)??p?y+Fy(3)?(ρw)?t+div(ρwu)=div(μgradw)-?p?z+Fz(4)?(ρw)?t+div(ρwu)=div(μgradw)??p?z+Fz(4)數(shù)值模擬采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε兩方程渦粘模型進(jìn)行湍流數(shù)值模擬,當(dāng)流體為不可壓縮,且不考慮源項(xiàng)時(shí),標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型為:?(ρk)?t+?(ρkui)?xi=??xj[[μ+μtσk]?k?xj]+Gk-ρε(5)?(ρk)?t+?(ρkui)?xi=??xj[[μ+μtσk]?k?xj]+Gk?ρε(5)?(ρε)?t+?(ρεui)?xi=??xj[[μ+μtσε]?ε?xj]+C1εεkGk-C2ερε2k(6)?(ρε)?t+?(ρεui)?xi=??xj[[μ+μtσε]?ε?xj]+C1εεkGk?C2ερε2k(6)(2)有限體積法接觸問(wèn)題由于止回閥的進(jìn)口流量容易確定(或給定),進(jìn)口速度也就容易計(jì)算,而計(jì)算前出口速度和壓力未知,因此較方便的處理方式就是使用速度進(jìn)口邊界條件和自由出流的出口邊界條件。為實(shí)現(xiàn)流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算,采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散。計(jì)算采用的是基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的SIMPLE算法的二階迎風(fēng)格式。采用Pro/EngineerWildfire2.0進(jìn)行止回閥流道模型造型。(3)溫度載荷的計(jì)算防水錘多流道(三流道)節(jié)能球形止回閥水流正向流動(dòng)時(shí)120°結(jié)構(gòu)如圖1。其外觀形狀呈規(guī)則的“多瓣”型,內(nèi)流道呈獨(dú)立式多孔結(jié)構(gòu),球體在關(guān)閥時(shí)置于左右閥體間的閥座上,介質(zhì)在進(jìn)入和流出閥體過(guò)程各走其道,互不干擾,并徹底消除跑球故障。利用Pro/E軟件創(chuàng)建模型如圖2。為了保證止回閥進(jìn)、出口的邊界條件符合實(shí)際,在計(jì)算過(guò)程中分別對(duì)止回閥的進(jìn)、出口添加了等同直徑的管道,進(jìn)口管道長(zhǎng)度為100mm,以保證進(jìn)口流動(dòng)穩(wěn)定。出口管道長(zhǎng)度為整個(gè)閥體長(zhǎng)度的2倍,以保證計(jì)算模型的出流為自由出流。將文件保存為.stp格式。計(jì)算中,通過(guò)Pro/E軟件的輸出接口和專(zhuān)用的網(wǎng)格劃分軟件Gambit進(jìn)行模型的轉(zhuǎn)換,并對(duì)建立的三維實(shí)體模型采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分,輸出為Fluent軟件能識(shí)別的.msh文件。在對(duì)實(shí)體建模并劃分完網(wǎng)格后,將其導(dǎo)入Fluent流場(chǎng)計(jì)算軟件進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表1。在正常流動(dòng)情況下,由于多流道球形止回閥球體的特殊結(jié)構(gòu),球體總是處于充分開(kāi)啟的狀況,而旋啟式止回閥由于旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)軸生銹以及水力壓力不足等原因閥瓣可能打開(kāi)不充分,因此比較主要在多流道球形止回閥球體充分開(kāi)啟時(shí)的狀況與相同工況的(公稱(chēng)通徑相同、流速相同)旋啟式止回閥間進(jìn)行。從球體全開(kāi)時(shí)多流道球形止回閥120°旋轉(zhuǎn)剖面介質(zhì)流線(圖3)可以看出,多流道球形止回閥的各流線分布均勻,水流幾乎平直地經(jīng)過(guò)止回閥,止回閥對(duì)水流的阻礙作用小,膠球與錐形體接觸效果好,其表面流線平順、光滑,對(duì)流體介質(zhì)幾乎沒(méi)有影響,水力損失小,無(wú)脫流及漩渦產(chǎn)生。從多流道球形止回閥在全開(kāi)時(shí)的120°旋轉(zhuǎn)剖面靜壓等高線(圖4)可看出,在左閥體流道的分隔筋板頭部和膠球的頭部有一定的壓力突變及水力沖擊。在膠球與錐形體連接的地方由于流道變小,流速增加,壓力變化大,而在其他過(guò)流通道里壓力變化均勻,對(duì)閥體破壞性小,流體在整個(gè)流道內(nèi)流動(dòng)比較均勻。同時(shí),可以看出在左右閥體連接處的內(nèi)側(cè)面及閥門(mén)出口處有小面積的低壓區(qū),且隨流速加快更加明顯。同時(shí)可以看出,在左右閥體的連接處由于過(guò)流面積的變化從而產(chǎn)生壓力的變化,形成面積較小的低壓區(qū),是此種閥門(mén)最有可能產(chǎn)生脫流、空化的區(qū)域。2.2閥值結(jié)果分析通過(guò)對(duì)相同口徑(DN300mm)的旋啟式止回閥(流速為0.9m/s、2.0m/s、3.0m/s、3.6m/s)和多流道球形止回閥(流速為0.9m/s、2.0m/s、3.0m/s、3.6m/s、4.8m/s)進(jìn)行流阻測(cè)試并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,其流阻特性曲線對(duì)比結(jié)果如圖5。根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果,及局部水力損失系數(shù)ξ的計(jì)算公式,計(jì)算的各模型阻尼系數(shù)結(jié)果如表2。ξ=2ghjv2(7)ξ=2ghjv2(7)式中hj——局部水力損失(此處為閥門(mén)進(jìn)出口壓力差)v——流速將圖5中所示的旋啟式止回閥和多流道球形止回閥流阻特性曲線與計(jì)算所得的表中數(shù)據(jù)比較可以看出,①多流道球形止回閥的試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果比較接近。在低流速(v<1.0m/s)的情況下,試驗(yàn)與計(jì)算擬和出的流阻特性曲線雖均顯示流阻系數(shù)隨流速增加而減小,但試驗(yàn)所得的流阻系數(shù)明顯比計(jì)算獲得的大,分析認(rèn)為造成這種差距的原因是當(dāng)流速較低時(shí),試驗(yàn)球閥沒(méi)有完全打開(kāi),而計(jì)算是以球閥完全打開(kāi)時(shí)進(jìn)行的。當(dāng)流速v>1.0m/s后,隨著流速增加擬和出的流阻系數(shù)曲線呈非常平直的下降,表明隨流速加快流阻升高。②閥門(mén)的流阻系數(shù)僅與閥瓣開(kāi)度有關(guān),圖中的試驗(yàn)曲線的直線部分表明止回閥達(dá)到完全開(kāi)啟,在小流量情況下,多流道球形止回閥比旋啟式止回閥更易達(dá)到完全開(kāi)啟。3x-10型旋啟式斷裂器的抗剪性能為了了解止回閥的防水錘性能,進(jìn)行了水錘試驗(yàn)(表3)。當(dāng)泵突然停止,H44X-10型旋啟式止回閥閥瓣處最高壓力為240kPa,最低壓力為-18kPa。FWJQH45X-10型多流道球形止回閥球體最高壓力為148kPa,最低壓力為16kPa。通過(guò)試驗(yàn)可見(jiàn),FWJQH45X-10型多流道球形止回閥的水錘強(qiáng)度比H44X-10型旋啟式止回閥減小,基本上能消除破壞性水錘的發(fā)生。H44X-10型旋啟式止回閥及FWJQH45X-10型多流道球形止回閥水錘特性曲線見(jiàn)圖6及圖7。圖6和圖7顯示的水錘特性曲線也驗(yàn)證了多流道球形止回閥在防水錘性能方面優(yōu)于旋啟式止回閥,其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有利于減小水錘時(shí)的壓力,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論的正確。4結(jié)果分析及結(jié)果通過(guò)利用三維造型軟件Pro/E并結(jié)合通用CFD軟件FLUENT,以FWJQH45X-10型防水錘多流道球形止回閥為研究對(duì)象,計(jì)算其內(nèi)部的流場(chǎng),分析內(nèi)部的流態(tài)、流阻。將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,得出計(jì)算的內(nèi)部流態(tài)分布與理論預(yù)測(cè)的內(nèi)部分布的流態(tài)大體趨勢(shì)一致,并且計(jì)算出的結(jié)果與試驗(yàn)的流阻特性曲線吻合較好,流阻系數(shù)與閥門(mén)開(kāi)度相關(guān),可以說(shuō)明利用CFD軟件進(jìn)行閥門(mén)內(nèi)流場(chǎng)的分