高壓差條件下梭式核級(jí)閥流場(chǎng)數(shù)值模擬

梭式閥是通過管道系統(tǒng)自身的能量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉合的智能閥。它可以根據(jù)無(wú)外部動(dòng)力源和電源的條件，根據(jù)系統(tǒng)的流動(dòng)狀態(tài)，快速評(píng)估，監(jiān)控管道系統(tǒng)的流量保護(hù)并關(guān)閉操作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，高度智能，在化工、機(jī)場(chǎng)和海上石油等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。許多科學(xué)家研究了這類梭式閥。例如，任玉欣等人分析了這類梭式閥的沉降特性，數(shù)值模擬了這類梭式閥的故障特性。陳毅等人分析了梭式管理系統(tǒng)中的水擊特性。呂少力等人改進(jìn)了梭閥試驗(yàn)臺(tái)的故障系統(tǒng)。然而，很少有研究在開關(guān)鎖的閉合過程中，以及在高壓下釋放閥內(nèi)液體泵的可能存在空氣穴的現(xiàn)象。由于液壓閥密封過程中的流量非常不穩(wěn)定，氣孔是故障因素中的常見危害，它不僅會(huì)對(duì)元件表面造成物理?yè)p害，還會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲，污染環(huán)境。因此，有必要研究開交閥和氣孔流量之間的連接過程。本文根據(jù)梭式閥的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，建立了氣閥運(yùn)動(dòng)模型和流場(chǎng)氣閥模型。采用fluent6計(jì)算軟件，在梭動(dòng)回收過程中模擬葉片的運(yùn)動(dòng)特性和閥內(nèi)的氣孔流場(chǎng)，為梭動(dòng)夾臂的結(jié)構(gòu)特征提供參考。1模擬對(duì)象1.1梭式單向斷閥控制回路梭式閥根據(jù)其結(jié)構(gòu)的不同可實(shí)現(xiàn)單向節(jié)流、單向逆止、雙向節(jié)流和雙向截止等功能.文中研究的梭式單向止回閥,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.在入口壓力的推動(dòng)下,閥門開啟到一定的開度,流體對(duì)閥瓣的作用力和彈簧的阻力平衡,閥瓣處于穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)出、入口壓力變化時(shí),閥門開度在新的條件下平衡,從而實(shí)現(xiàn)了梭式止回閥對(duì)管道系統(tǒng)的流動(dòng)控制.1.2幾何模型及網(wǎng)格劃分模擬的梭式止回閥對(duì)實(shí)際梭式止回閥進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化.因支撐架對(duì)流場(chǎng)和閥瓣運(yùn)動(dòng)的影響不大,在模擬中對(duì)其進(jìn)行了忽略.對(duì)彈簧沒有考慮其形體對(duì)流場(chǎng)的影響,但考慮了彈簧阻力對(duì)閥瓣運(yùn)動(dòng)的影響.簡(jiǎn)化后的梭式止回閥如圖2所示,其入口直徑為80mm,出口直徑為92mm.考慮在開啟過程中閥內(nèi)局部負(fù)壓下可能產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象,模擬的物系為常溫水和水蒸汽.閥的進(jìn)口壓力為0.5～0.8MPa,出口壓力保持為0.2MPa,考察在不同的進(jìn)口壓力條件下,閥內(nèi)的流場(chǎng)變化和閥瓣的運(yùn)動(dòng)特性.簡(jiǎn)化后的梭式止回閥為中心軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),所以采用二維軸對(duì)稱模型模擬.采用Fluent的前處理網(wǎng)格生成軟件Gambit建立二維模型并采用四面體網(wǎng)格劃分,初始態(tài)時(shí)總網(wǎng)格數(shù)為77162,經(jīng)試算發(fā)現(xiàn),再增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果已基本沒有影響.2數(shù)學(xué)模型2.1混合相的質(zhì)量控制文中采用Fluent6.2軟件中多相流的Mixture模型對(duì)閥內(nèi)的氣穴流場(chǎng)模擬,假設(shè)流體為黏性不可壓縮流體,在不考慮溫度變化的條件下,氣-液混合相的質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程如下:質(zhì)量守恒方程動(dòng)量守恒方程式中:ρm,um為混合相的密度和速度;udr,k為氣-液相對(duì)滑移速度.氣-液相間的曳力求解采用Schiller-Naumann曳力系數(shù)模型.對(duì)壁面邊界層采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理;流體湍動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型.2.2流體空化速率液相在負(fù)壓下空化為水蒸汽,水蒸汽所占的質(zhì)量分率可由其輸運(yùn)方程求得,即??t(ρmfv)+?(ρmuvfv)+?(γ?fv)+Re-Rc?(3)式中:Re和Rc分別為水在低壓下的汽化速率和水蒸汽在高壓下的冷凝速率.文中采用Singhal提出的氣穴模型描述流體的空化相變速率:當(dāng)psat>p時(shí),液相發(fā)生汽化,汽化速率為當(dāng)psat<p時(shí),氣相發(fā)生冷凝,冷凝速率為式中:Ce,Cc為相變速率系數(shù),文中取Ce=0.02,Cc=0.01;Vch為當(dāng)?shù)靥卣魉俣?σ為飽和液體的表面張力系數(shù),文中取σ=0.0718N/m;psat為飽和水蒸汽壓,為2368Pa.2.3閥瓣開度及大小文中模擬的閥體水平放置,所以閥瓣在水平方向上運(yùn)動(dòng)的受力為壓力、黏性剪切力、彈簧阻力和摩擦力,摩擦力很小可以忽略不計(jì),由牛頓第二定律,閥瓣的水平運(yùn)動(dòng)方程可表示為Fi=?A(pi+τi)dA-Κ(x-x0)=ma=mduidt,(6)式中:pi為流體對(duì)閥瓣在水平方向的分壓力,Pa;τi為流體對(duì)閥瓣在水平方向的分剪切力,Pa;A為閥瓣面積,m2;K為彈簧彈性系數(shù),文中取125kN/m;x為閥門開度,m;x0為閥門初始開度,文中取0.5mm;m為閥瓣質(zhì)量,文中取0.26kg;ui為閥瓣水平運(yùn)動(dòng)速度,m/s.對(duì)式(6)積分,可得到閥瓣在每個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度,閥瓣在水平方向的運(yùn)動(dòng)軌跡可表示為對(duì)式(7)積分,可得到閥瓣在不同時(shí)刻的位置,即閥門的開度.3計(jì)算與分析3.1閥體內(nèi)流型的變化圖3為在進(jìn)口絕對(duì)壓力為0.6MPa,出口絕對(duì)壓力為0.2MPa時(shí),閥門在進(jìn)出口壓差作用下開啟瞬間的速度場(chǎng)變化.由圖中可以看出,初始時(shí)閥的開度很小,流體從閥瓣和閥壁的間隙流進(jìn)閥體,此時(shí)閥瓣后部的流速分布比較均勻,這主要是因?yàn)殚y瓣向后移動(dòng),推動(dòng)閥后流體以整體比較均勻的速度流動(dòng).在壓力作用下,閥門的開度逐漸增大,流體主要沿著閥壁流動(dòng),中間部位的流體速度相對(duì)較小.當(dāng)達(dá)到0.080s時(shí),閥瓣開度處于基本穩(wěn)定,閥體內(nèi)流型也基本穩(wěn)定,此時(shí)閥內(nèi)的流型為:流體主要沿閥壁流出,閥出口處邊壁流速大,而中間部位流速小;閥體內(nèi)有渦環(huán)存在,渦環(huán)渦心處流速很小;閥內(nèi)中間部位由于受渦環(huán)的影響,流體速度呈現(xiàn)和流出方向相反的回流.3.2高進(jìn)口壓力場(chǎng)的數(shù)值模擬圖4反映了梭式止回閥開啟時(shí)閥內(nèi)壓力場(chǎng)的變化.在初始態(tài)時(shí),閥門開度小,閥進(jìn)口段壓力高,隨著壓力推動(dòng)下閥開度增大,流體沿閥壁流動(dòng),閥內(nèi)出現(xiàn)渦環(huán),在渦環(huán)的渦心位置流體壓力最低,當(dāng)?shù)陀诔叵铝黧w的汽化壓力時(shí),渦心處將產(chǎn)生氣穴.渦環(huán)的位置及壓力分布隨閥瓣和流體的運(yùn)動(dòng)在不斷變化,達(dá)到0.080s后,閥瓣和流體流動(dòng)基本趨于穩(wěn)定,閥內(nèi)壓力場(chǎng)也趨于穩(wěn)定狀態(tài).由于閥瓣對(duì)流體的阻擋作用,在閥瓣的迎流面壓力高,特別在閥瓣的中心位置壓力最高,而在閥瓣的背流面則壓力相對(duì)較低.另外,在閥瓣和閥壁間的流體入口處,開啟過程中流體流速過快,會(huì)產(chǎn)生很低的負(fù)壓.圖5反映了在進(jìn)口壓力為0.6MPa,將閥內(nèi)流體看作單相流,不考慮液體空化的壓力場(chǎng)模擬結(jié)果.從圖中看出,閥內(nèi)最低絕對(duì)壓力為負(fù)壓,而絕對(duì)壓力為負(fù)值是不可能的,所以在高進(jìn)出口壓差條件下,閥內(nèi)有氣穴產(chǎn)生時(shí),采用單相流對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬是不合理的,必須要采用液相空化的氣液兩相流進(jìn)行數(shù)值模擬.3.3游移氣穴消失圖6顯示了在進(jìn)口壓力為0.6MPa條件下梭式止回閥開啟過程中閥內(nèi)氣穴的變化.由圖中可以看出,開啟的0.010s內(nèi),閥內(nèi)無(wú)氣穴存在,隨著閥開度增大,流體快速沿邊壁流入閥體,在閥內(nèi)循環(huán)渦渦心處產(chǎn)生了很低的負(fù)壓(見圖4),在0.015s左右渦心處出現(xiàn)氣穴,且隨著時(shí)間推移不斷增大,在0.040s左右,當(dāng)渦心氣穴增大到一定程度,氣穴邊緣被流體打散,形成很多較小的游移氣穴,游移氣穴脫離渦心進(jìn)入高壓區(qū)會(huì)很快消失.一定時(shí)間后,閥內(nèi)流場(chǎng)逐漸趨于穩(wěn)定,氣穴范圍和水蒸汽含率逐漸減小,在0.080s以后,閥瓣已基本完全開啟,流體流動(dòng)穩(wěn)定,閥內(nèi)氣穴基本消失.數(shù)值模擬結(jié)果表明:當(dāng)進(jìn)出口壓差很小時(shí),開啟及穩(wěn)定后閥內(nèi)都無(wú)氣穴;當(dāng)進(jìn)出口壓差相對(duì)較大時(shí),在開啟過程中閥內(nèi)有氣穴,而閥瓣穩(wěn)定后則無(wú)氣穴;當(dāng)進(jìn)出口壓差很大時(shí),在開啟過程中和閥瓣穩(wěn)定后,閥內(nèi)都有氣穴存在,閥內(nèi)氣穴的產(chǎn)生和發(fā)展與進(jìn)出口壓差、出口壓力大小和閥瓣運(yùn)動(dòng)開度等密切相關(guān).氣穴的存在不利于閥內(nèi)流場(chǎng)的穩(wěn)定,圖7為在進(jìn)口壓力為0.8MPa條件下閥體內(nèi)的氣穴流場(chǎng).由圖7a可以看出,閥內(nèi)渦心處氣穴較大,渦心邊緣氣穴被流體打散而形成很多游移的小氣穴隨流體一起運(yùn)動(dòng)到高壓區(qū)瞬間潰滅,而引起閥內(nèi)靠近邊壁處速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)很大的波動(dòng),所以在液壓系統(tǒng)中要盡量避免和減少氣穴的產(chǎn)生.文中為了研究需要將梭式止回閥進(jìn)出口壓差設(shè)置在很高的條件下以模擬得到氣穴流場(chǎng),而在工程應(yīng)用中,根據(jù)實(shí)際工況,通過對(duì)梭式止回閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化和調(diào)節(jié)閥瓣開度等,可以較好地消除和減少閥內(nèi)氣穴的產(chǎn)生和發(fā)展,達(dá)到工程應(yīng)用的要求.3.4穩(wěn)定開度對(duì)閥瓣運(yùn)動(dòng)軌跡的影響圖8為在進(jìn)口壓力為0.5MPa時(shí)數(shù)值模擬的梭式止回閥開啟過程中,閥瓣的位置和速度隨時(shí)間的變化曲線.梭式止回閥在開啟的過程中閥瓣有很大的波動(dòng),閥瓣不穩(wěn)定.在壓力的推動(dòng)下,閥瓣首先開啟到一極大開度,并逐漸以波動(dòng)的形式回歸到穩(wěn)定開度,在波動(dòng)過程中,當(dāng)閥瓣經(jīng)過穩(wěn)定開度大小時(shí)流體對(duì)閥瓣的作用力和彈簧的阻力平衡,閥瓣的運(yùn)動(dòng)速度最大.在0.080s左右,閥瓣的開啟達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài),閥瓣穩(wěn)定時(shí)的開度約7.8mm,此時(shí)閥瓣的波動(dòng)振幅和速度都很小.開啟過程和穩(wěn)定時(shí)閥瓣的波動(dòng)幅度和進(jìn)出口壓差及閥內(nèi)氣穴相關(guān),特別是閥內(nèi)產(chǎn)生大量氣穴時(shí),由于氣穴對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)的影響,即使是在閥開啟相對(duì)穩(wěn)定時(shí),閥瓣的波動(dòng)幅度都還較大,這種波動(dòng)如同閥瓣固有振動(dòng)同步將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重后果.4梭式斷閥內(nèi)壓力分布變化文中采用計(jì)算流體力學(xué)的方法,建立閥瓣運(yùn)動(dòng)模型和在高壓差條件下流體氣穴模型,對(duì)梭式止回閥開啟過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,得出結(jié)論如下:1)梭式止回閥開啟穩(wěn)定后閥內(nèi)流型為流體主要沿閥壁流出,閥內(nèi)有渦流,在渦流渦心處流速很小;受渦流影響,閥體中部有回流現(xiàn)象.2)梭式止回閥開啟過程中壓力分布在不斷變化,在閥內(nèi)渦流渦心處壓力很低易產(chǎn)生氣穴,閥瓣迎流面中心壓力很高,而背流面壓力則較低.3)當(dāng)進(jìn)出口壓差很小時(shí),開啟過程及穩(wěn)定后閥內(nèi)都無(wú)氣穴產(chǎn)生;當(dāng)進(jìn)出口壓差相