COSMOSFloWorks在波纹管截止阀流场分析中的应用

费利江 任照玉 唐 勇

（上海华谊集团技术研究院)

COSMOSFloWorks在波纹管截止阀流场分析中的应用

费利江*任照玉 唐 勇

（上海华谊集团技术研究院)

介绍了以COSMOSFloWorks软件进行流场分析的原理。通过对波纹管阀不同开度下的流场分析，寻求阀门薄弱环节，从而为波纹管阀结构优化设计提供依据。

波纹管截止阀 三维建模 流场分析 COSMOSFloWorks

目前，随着安全环保节能减排要求的不断提高，在易燃、易爆及有毒有害产品生产过程中，对其密封性要求更加严格。波纹密封阀门可很好地解决跑、冒、滴、漏等问题。但波纹密封阀由于受自身弹性限制，其开启高度具有一定局限性，开启过高会影响阀门使用寿命。因此，研究其力学性能来提高阀门的可靠性和使用寿命已成为必要。

阀门的可靠性和使用寿命很难控制，过去对其只能用试验来判断，无法用理论进行描述。随着计算机技术的迅猛发展和有限元分析的不断深入，国外开发了许多流体有限元分析软件，如ANSYS、Fluent、COSMOSFloWorks等，这给阀门结构设计的优化提供了一种新的途径。

1 有限元分析和流动模拟

COSMOSFloWorks软件是基于先进的计算流体动力学 （CFD）技术的一种分析软件，它不仅能对流体进行二维和三维分析，稳态和瞬态流分析，对层流、湍流及过渡流分析都适合。该软件使用方便，简单易学，并且精度很高。因此，本文对波纹管截止阀采用了Solideworks建立三维分析模型，利用Solidworks公司的COSMOSFloWorks软件对流道内流体进行有限元分析和流动状态模拟。

COSMOSFloWorks有限元分析是在流动基本方程 （质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）的控制下对流动的数值模拟。其数学模型为：

质量守恒方程

式中y——流体某点距壁面的距离。

公式中的RT、Ry考虑到了层流－湍流之间的转换。

下面两个附加的传递方程是用来描述湍流动力能量及损耗的：

COSMOSFloWorks分析步骤为：

三维模型建立→边界划分→边界条件确定→参数设置→运行分析→显示分析结果。

在波纹管截止阀不同开启程度下对流道进行分析比较，分析阀门应力集中点，以对阀门结构的优化提供依据。

（1）三维模型建立

本课题是利用SolidWorks软件建立三维模型，其前视剖视图见图1。其主要由波纹管组件、阀芯、阀体及密封垫片组成。

（2） 分析结果

本文分析是在阀门开启高度为0.5 mm、1 mm、2 mm情况下进行的，分析流道内压力、流速及流动状态。从流速可判断阀门使用过程中应力集中部位，可对阀结构的优化提供参考。

模拟条件：模拟介质为水，阀门进口流量为36 L/h， 出口压力为 1大气压 （101.325 kPa）， 不考虑流道内因壁面粗糙度引起的流阻。

图2和图3所示为阀门开启高度0.5 mm、流量36 L/h、出口压力1大气压 （101.325 kPa）情况下的压力、流速及流动状态。

图4和图5所示为阀门开启高度1 mm、流量36 L/h、出口压力1大气压 （101.325 kPa）情况下的压力、流速及流动状态。

图6和图7所示为阀门开启高度0.5 mm、流量36 L/h、出口压力1大气压 （101.325 kPa）情况下的压力、流速及流动状态。

图1 波纹管截止阀三维模型

图2 开启高度为0.5 mm时流速在流道内分布

图3 开启高度为0.5 mm时流体在流道内流动状况

图4 开启高度为1 mm时流速在流道内分布

图5 开启高度为1 mm时流体在流道内流动状况

图6 开启高度为2 mm时流速在流道内分布

图7 开启高度为2 mm时流体在流道内流动状况

根据以上图显示，流速在2 m/s以下时，开启高度2 mm与开启高度1 mm的流动状况差别不大，其速度最大点也不在阀芯处，因此，流体对阀芯的冲刷力不是很大。而开启高度为0.5 mm时，由于阀芯与密封面之间空隙较小，所以其压差较大，从而使得流速在阀芯靠近出口面处较大，达到12.9 m/s，该处也因此而容易失效，导致内泄漏。因此，在设计时应尽量考虑流速过大对阀芯的影响，以提高阀门的使用寿命。此外，物料输送时应尽量保持阀门开启高度为1 mm左右，以延长阀的使用寿命。

2 结论

通过对波纹管截止阀流道的动力学模拟分析，研究了不同开启高度条件下阀门内压力、流速的分布情况，分析了阀门易失效点，这对阀门结构的优化设计具有参考意义，有利于提高阀门的使用寿命。

[1]SolidWorks公司.COSMOSFloWorks Fundamentals[M].2006.

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

[3]杨源泉.阀门设计手册 [M].北京：机械工业出版社，1992.

[4]叶修梓，陈超祥.SolidWorks 2005基础教程：零件与装配体 [M].北京：电子工业出版社，2005.

Application of COSMOSFloWorks in Flow Field Analysis of Bellows Valve

Fei Lijiang Ren Zhaoyu Tang Yong

The article introduced the principle of COSMOSFloWorks for flow field analysis.Through flow field analysis of bellows valve under different opening to find the weakness，and so as to provide a basis for structure optimization design of bellows valve.

Bellows valve;Three-dimension modeling;Flow field analysis;COSMOSFloWorks

TH 134

*费利江，男，1972年生，高级工程师。上海市，200241。

2011-07-15）