基于CFD的电动截止阀内流道数值模拟及改进设计

周明健 唐铃凤 王玉勤

（1安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000）

（2巢湖学院物理与电子科学系，安徽 巢湖 238000）

基于CFD的电动截止阀内流道数值模拟及改进设计

周明健1唐铃凤1王玉勤2

（1安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽 芜湖 241000）

（2巢湖学院物理与电子科学系，安徽 巢湖 238000）

电动截止阀是流体输送的重要元件.阀的传统设计方法很少从流体角度对其流道进行设计，其流阻系数比较大，容易造成局部压力损失.流体介质通过阀口时，流动方向发生变化，可能产生诸如局部涡流、空化、水锤和死水区等水流现象及湍流脉动噪声，对阀体有很强的破坏性，降低阀的使用寿命.基于RAN-S方程组和RNG k-ε湍流模型，利用CFD技术对全开启状态下的电动截止阀的内流道进行三维的湍流数值模拟，获得其总压图、速度矢量图、湍动能强度图.通过数值模拟，可以直观地显示阀的内流道中流体的流动过程.改变进出口段流道的长度、曲率以及阀杆在流道中的布局等，进出口的压力差相对于未改进前减少30%左右，速度突变区域明显缩小，局部涡流现象消失，湍动能强度也降低了15%左右.

电动截止阀；内流道；数值模拟；改进设计；CFD

1 引言

阀门是控制管路系统中流体的流动方向或调节其压力和流量的重要装置[1].国外对阀门的研究起步早，在机械和水力的方面做了大量的研究；而国内对阀门的研究主要集中在机械方面，从流体的角度对阀门的研究较少，基本上是依据常规设计方法和经验，只注重结构型态而不注重考虑流阻损失，从而引起较大的能耗，而在实际的管道工程中，阀的局部水头损失占管道水头损失的比例是相当可观的，这使得对阀门的选择和使用长期处于一种半经验状态，主要依靠国外的技术资料.为了更加科学分析阀门的性能，从流体力学的角度运用数值模拟方法分析其内部流场是十分必要的[2].

近年来，随着电子计算机的广泛应用及数值计 算 技 术 的 发 展 ，CFD （Computational Fluid Dynamics）技术得到了蓬勃地发展，使得对于大部分的流体力学问题，其中包括对液压元件内部流道流体流动问题的数值研究及可视化研究成为可能.在流体流动问题的数值研究方面，张弓[3]利用边界元法计算了三种结构的超高速电液比例直动式先导阀的腔室的流场；崔铭超[4]利用CFD技术对直角截止阀内流道进行了优化.

由于数值模拟相对于实验研究有其独特的优点，且成本低、周期短，能获得完整的数据，能模拟出实际运行过程中所测数据状态，对于设计改造等商业或实验室应用起到重要的指导作用，提高了设计质量.随着液压技术的进一步发展，对液压技术的要求越来越高，现代的数值模拟分析方法在阀等液压系统元件的设计上的应用使设计的产品能更加符合工程的需要，故CFD技术在阀门工业领域中得到了越来越多的应用.借助CFD这个工具可以减少阀门的设计周期，更深地洞悉结构对流动产生的影响，避免产品的设计缺陷[5].

本文采用Fluent软件对所设计的电动截至阀的全流道进行不可压湍流流场数值计算，通过分析流道的压力分布、速度分布以及阀的关键几何尺寸对其湍流强度等流动特征的影响，进而对流道进行优化.Fluent软件是由Fluent公司基于Fluent软件群思想开发的计算流体力学软件，在我国已得到较好的应用.它针对每一种流体的物理问题的特点，采用合适于它的数值解法以在计算速度、稳定性和精度等方面达到最优，减少了研究者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效率的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的本质，优化算法选用，参数的改变，提高效率地解决各个领域的复杂流体计算问题.特别是针对诸如电磁截至阀的全流道可以很好地保证计算的收敛和数值的精度[6].

2 数学模型分析

1.1 电动截止阀的结构简图

电动截止阀的结构简图如图1所示。

图1 电动截止阀的结构简图

1.2 数学模型

基于RAN-S方程组和RNG k-ε两方程湍流模型，采用Simplec算法对电动截至阀的内流道进行湍流数值模拟，其控制方程[7]为：

式（1）、（2）中：ui和 uj-分别为时均速度分量；xi和xj-分别为各个坐标分量；P-时均压力；Fi-体积力；μt-湍流动力黏性系数.

湍动能k和耗散率ε方程分别为：

1.3 计算区域及网格划分

由于电动截止阀的内流道的设计没有标准，本文参照铸铁管件[8]中的乙字弯管和90°弯管进行类比设计.本文研究的电动截止阀的内流道模型是由进口段、阀口段、出口段组成.全开启状态下的电动截止阀的内流道模型如图2所示.利用CFD软件对其内流道进行计算，由于其内流道的结构不是很规则，因此采用混合网格进行划分.电动截止阀的内流道的网格划分情况如图3所示.

图3 电动截止阀的内流道的网格划分

1.4 边界条件及参数设置

流体介质是液态水.进口处采用速度进口（velocity inlet），流体介质在进口处的速度为2m/s，出口处采用出流（outflow）；无滑移壁面，近壁区采用标准壁面函数.

2 数值模拟及分析

2.1 电动截止阀压力分析

电动截止阀的内流道的三个方位的压力总图如图4所示。电动截止阀的内流道主要点压力分析表如表1所示。

表1 电动截止阀的内流道主要点压力分析表

2.2 电动截止阀的内流道速度矢量图

电动截止阀的内流道速度矢量图如图5所示，在b点有强的剪切层存在，这样的剪切层在大雷诺数流动中会失稳卷成漩涡，形成了局部的涡流现象；由于流动分离区的出现，流体在a、c、d点的有效过流面积减少，速度发生突变，其中，c、d点的最大速度超过4m/s.因此需要对其流道进行优化，避免这种现象的发生.

2.3 湍动能强度分析

湍动能强度表示的是速度梯度的大小.降低湍动能值可以降低湍流脉动噪声.电动截止阀的内流道湍动能强度图如图6所示，在e、f、g的湍流强度较大，最大湍动能值达到了93.1m2/s2，需要对其流道进行优化，降低其湍动能强度.

图5 电动截止阀的内流道速度矢量图

图6 电动截止阀的内流道湍动能强度图

3 改进设计及数值模拟分析

3.1 改进设计

改进措施：进口段直接采用曲率较大的圆弧和一个小圆弧，消除优化前的直线段连接；缩短阀门打开时的阀盖到颈部密封面距离；适当地调整阀杆在流道中的布局；进口段和出口段的衔接处要尽可能平缓，避免流体在转弯处速度发生突变，速度过大；出口段利用曲率很大的圆弧和一个小圆弧连接；对空化始点、强动脉动始点等敏感部位作倒角处理.改进前后的电动截止阀的内流道图如图7所示.

3.2 数值模拟分析

（1）改进后的电动截止阀的内流道总压图如图8所示，改进后的电动截止阀的内流道主要点压力分析表如表2所示.f1点的总压力为-250pa，而f点的总压力为-2870pa，因此优化后电动截止阀的内流道在f1点的压力损失相对未优化前的c点的压力损失减小了90%；c1点的总压力为550pa，而c点的总压力为500pa，压力损失的现象得到明显的改善；改进后的内流道的总压力分布地很均匀；进口处和出口处点的压力差为450pa，相对于未优化前的进出口的压力差减小幅度很大.

图7 改进前后的电动截止阀的内流道模型

图8 改进后的电动截止阀的内流道总压图

表2 改进后的电动截止阀的内流道主要点压力分析表

（2）改进后的电动截止阀的内流道速度矢量图如图9所示，a1点没有速度的突变，b1点处没有局部的涡流，c1、d1处的最大速度都未超过3.5m/s.

（3）改进后的电动截止阀的湍流强度图如图10所示，最大的湍动能值从93.1m2/s2降到了81.6 m2/s2，最大湍动能强度降低15%.优化改进后的阀的高湍动能分布区域明显变小，这说明了流动相对于原阀更加通畅，整体改进效果良好，极大地降低其湍动能脉动值.

图9 改进后电动截止阀内流道速度矢量图

4 结论

（1）通过优化前后的电动截止阀的内流道的总压力、速度、湍动能强度的比较，说明该改进是可行的.

（2）这种方法进出口的压力损失将近30%，使原来的局部涡流现象消失，减少了速度的突变的区域，最大速度也从原来的4.26m/s降到3.4m/s，湍动能强度也降低了15%左右.

[1]王积伟，章宏甲，黄谊，等.液压技术与气压传动[M].北京：机械工业出版社，2005：136.

[2]张亮，关凯书，王志文，刘树明，等.Fluent模拟验证187137-IP减压阀阀芯失效机理[J].腐蚀与防护，2008，29（5）：284-286.

[3]张弓.超高速电液比例阀的研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[4]崔铭超.基于CFD技术的直角截止阀流道优化[D].上海：上海交通大学，2009.

[5]向虎，韦文术.CFD技术及其在液压支架用阀设计中的应用探讨[J].煤矿机械，2007，28（1）：13-14.

[6]袁昌耀，傅连东，王佳，刘龙园，陈忱.基于 Fluent液压集成块管内数值模拟[J].机械，2008，35（12）：16-18.

[7]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与分析[M].北京：清华大学出版社，2004：7.

[8]文斌.管接头和管件选用手册[M].北京：机械工业出版社，2005：75.

NUMERICAL SIMULATION OF THE INTERAL FLOW CHANNEL OF THE ELECTRIC CHECK VALVE BASED ON THE CFD AND IMPROVEMENT DESIGNING

ZHOU Ming-jian1TANG Ling-feng1WANG Yu-qin2
（1 School of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu Anhui 241000）
（2 Department of Physics and Electronics of Chaohu University，Chaohu Anhui 238000）

Electric check valve is an important component of the liquid transportation.Due to the traditional design of the valve rarely design the interal flow channel,standing in the point of the fluid flow,the flow resistance coefficient is bigger,easy to cause the certain local pressure loss.The flow direction of the fluid is changing when it passed through the mouth of the valve,and there would be the flow phenomenon,which make the valve strong destructive and reduce the service life of the valve,such as local eddy current,cavitation,water hammer and dead zones,Turbulent pulse noise,etc.The interal flow channel of the Electric check valve that is in the state of the all open is numerically simulated with CFD approach based on Reynolds-averaged N-S equations(RANS equations)and RNG k-ε model,and the total pressure figure,velocity vector diagram,turbulence intensity map are obtained.Through numerical simulation,the flow process of the fluid in the valve can be directly displayed.It can reduce the pressure loss of the import and export around 30%,narrow the area of the mutational speed,make the phenomenon that the local eddy current disappeared,and lessen the intensity of turbulence around 15%,by improvement designing,such as change the length and curvature of the import and export part of flow channel, and alter the layout of stem of valve,etc.

Electric check valve；interal flow channel；numerical simulation；improvement designing；CFD

TB24

A

1672－2868（2011）06－0075－05

2011-10-21

周明健（1987-），男，安徽人，硕士在读，研究方向：流体机械设计与控制

责任编辑：宏 彬