稳压器喷雾阀阀芯倒角尺寸对流动的影响

杨化飙，张继革，施宝新，王德忠

(1. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240； 2. 上海自动化仪表七厂，上海 202150)

稳压器喷雾阀阀芯倒角尺寸对流动的影响

杨化飙1，张继革1，施宝新2，王德忠1

(1. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240； 2. 上海自动化仪表七厂，上海 202150)

V型旋转式阀芯具有流阻小，切断性能好，调节精度较高的特点。为了减小阀芯旋转时流体在阀芯和阀座棱边上剪切力以及阀门形阻系数，通常在阀芯的棱边上加工倒角来达到此目的，研究稳压器喷雾阀V型阀芯棱边不同倒角尺寸时，阀内流体流动时在阀芯与阀座上的产生的剪切力大小，以及阀芯棱边取不同倒角尺寸时对流动的各参数的影响。采用CFD软件fluent,基于RANS方程，采用有限体积法进行空间离散，使用K-ε湍流模型和SIMPLE算法，针对阀芯不同的倒角尺寸，计算稳压器喷雾阀V型阀芯在关闭时阀门的体积流量，湍流参数，壁面剪切力，形阻系数等各种参数。得到阀芯倒角对流动参数的影响规律。

稳压器喷雾阀；阀芯倒角；壁面剪切力；形阻系数

0 引言

V型阀芯旋转调节阀因为具有压差大，切断性能好，流阻系数小，同时有很高的调节精度等一系列特性而在当前被大量的使用[1]，此种结构球阀随着智能控制器件技术发展，将会代替部分直行程调节法以及O型球阀，在未来将会有越来越多的使用。

对于调节阀，阀门在关闭时，通常要求有小于一定量的流体流经阀门[2,3]，而此时由于阀门小间隙处的流通面积很小，即使在阀门前后压差不大的情况下，也会在阀门的阀芯和阀座之间的小间隙处产生很大的流速，同时在阀芯和阀座边缘上产生很大的壁面剪切力。而实际在生产加工阀芯阀座时，通常会在阀芯/阀座的棱边上加工一定尺寸的倒角，以减少流体流动对阀芯阀座棱边的壁面剪切力与磨损。本文则通过CFD计算软件Fluent，针对阀芯棱边处设置不同尺寸的倒角来分析流体在阀芯阀座上产生的剪切力的变化情况，以及当阀芯取不同倒角尺寸时，计算阀门的体积流量，最大流动速度以及阀门的形阻系数，得出阀芯倒角尺寸变化时壁面剪切力，阀门体积流量，阀门形阻系数的变化规律。

1 数值模拟模型

1.1 控制方程和湍流模型

流体在阀内流动时满足质量守恒方程，动量守恒方程以及能量守恒方程[4]，本文由于不涉及传热的计算，所以不需考虑能量方程。

本文中的流体为核电站一回路中的冷却剂，属于牛顿流体，对于牛顿流体在阀内流动，流动满足经典的N-S方程,其中质量守恒方程可以写成：

(1)

由于核电站一回路中的压力和温度波动范围很小，故冷却剂的密度ρ在温度和压力变化很小时，可以视其密度ρ为恒定值，故式(1)的质量守恒方程可以简化为：

▽·ρU=0

(2)

对于任何流动系统，动量守恒方程是必须满足的基本定律，经典的N-S动量方程可以写成：

(3)

对于流场边界较为复杂的一些工程问题，由于湍流流动非常复杂，对流动进行直接数值模拟(DNS)计算需要耗费大量的计算机容量与时间。而基于Reynolds时间平均的NS方程(RANS)的模拟方法在处理不可压缩流动时，得到了广泛的适用。在CFD软件Fluent中，RANS方程的分量形式为：

(4)

1.2 三维几何模型和边界条件

由于流体是在阀门腔内流动，所以需要提取阀门内腔作为流动的计算域。提取阀门内腔后的三维流道结构图俯视图如图1所示，在不影响计算精度与结果的前提下，为了减少网格节点与计算量，根据阀门流道的对称性，对三维流道结构的一半模型进行网格划分与流动分析，如图3所示，三维流道的结构图，以及流道的网格划分结果参照如图1—图3，以下各图中空心箭头表示流体流动方向。

图1 阀门流道结构图(对阀芯棱边取不同的倒角)

图2 阀门流道结构的右视图(对阀芯棱边取不同的倒角)

本文采用Ansys中的workbench集成模块中的Fluent[6]对阀门进行流动仿真分析，对图3中的三维结构的一半流道模型进行网格划分，划分时整体采用四面体网格，在近壁面采用inflation算法进行boundary layer的设置，boundary layer设为5层，每层厚度比为标准的1.2.在几何尺寸小的地方，网格进行加密。最终网格划分结果如图3所示：网格单元数目为1 009 990个。

图3 对流道的A-A半剖图划分网格图

根据稳压器喷雾阀在压水堆核电站一回路中工作时的工作条件来设置流动分析的边界条件。压水堆核电站一回路中的实际工作情况如下：压水堆核电站一回路中的冷却剂的摄氏温度292℃，压力通常在14.9-15.7MPa, 而稳压器喷雾阀进出口两端的压差小于0.5MPa,本文中的边界条件设定如下：

在Fluent中将流体介质设置为292℃时的水，密度为728.24kg/m3,粘度为0.000936Pas.为不可压缩流体，而对于不可压缩流体通常进行流动分析时适合采用pressure-based(基于压力)的求解器。

湍流模型采用标准的k-ε模型[7]，壁面设置采用标准的无滑移壁面条件。进口边界设为压力入口边界，压力设置为15.7MPa。出口边界设置为压力出口边界，压力设置为15.3MPa。收敛精度残差设置为10-4，迭代算法采用SIMPLE算法进行求解。

图1中所示的阀芯棱边分别设置为0.1mm，0.12mm，0.14mm，0.16mm，0.18mm，0.2mm六个不同的圆弧倒角尺寸，在Fluent中分别对设置的六种不同尺寸倒角下的流动域进行流动计算，求解控制参数设置为默认值，空间域离散格式采用一阶迎风格式，动量方程与压力方程离散格式也采用一节迎风格式，边界条件以及计算模型的采取均按照以上条件进行设置。

3 仿真分析计算结果

图4—图6分别是阀门内的壁面剪切力与最大流速云图。以供参考，具体数值请参考表1。

图4 阀门中阀芯阀座接的壁面剪切力图

图5 壁面剪切力进行局部放大图

图6 阀门内的速度分布云图

阀芯取不同倒角时的流动分析结果如表1所示，表1中分别列出不同倒角尺寸时的壁面剪切力，阀门的最大流速，形阻系数等：

表1 阀芯不同倒角计算得到的流动参数

将表1中的数据以曲线的形式表示，可得如图7—图11所示结果。

图7 阀门内最大流度随倒角的变化关系图

图8 壁面最大剪切力随倒角的变化关系图

从图7中所示结果可以看出，阀芯倒角取不同尺寸时，阀门的最大流速先增大，后减小。当阀芯倒角取0.16mm～0.17mm时，阀门的最大流速达到极值，此后阀芯倒角取更大值时，阀门最大流速反而减小。 同样从图8中可以看出，不同倒角时，壁面的最大剪切力也不一样，其变化规律也是随着倒角增大，壁面最大剪切力先增大后减小，值得注意的是，壁面最大剪切力在阀座上，而不是在阀芯棱边上。

图9 阀门流量随倒角的变化关系图

图10 阀门形阻系数随倒角的变化关系图

从图9和图10可以看出，随着阀芯棱边倒角的增大，阀门流量逐渐增大,阀门的形阻系数明显下降，这与实际的测试的结果相符。

图11 阀门内的平均壁面剪切力图

从图8和图11的对比可以看到，在阀芯倒角取0.16时阀门壁面最大剪切力为极值，而阀门内的平均壁面剪切力为最小，和壁面剪切力分布云图相符。

4 结论

根据以上的分析结果，可以得出如下结论：

1) 在其他条件不便的情况下，稳压器喷雾阀V型旋转阀芯的V型槽棱边的倒角尺寸增大，流经阀门的体积流量逐渐增大。

2) 在其他条件不便的情况下，稳压器喷雾阀V型旋转阀芯的V型槽边缘上的倒角尺寸增大，阀门的形阻系数逐渐的减小。

3) 在其他条件不便的情况下，稳压器喷雾阀V型旋转阀芯的V型槽边缘上的倒角尺寸增大，阀门的最大壁面剪切力先增大后减小，在0.16mm倒角尺寸时，壁面最大剪切力为不同倒角尺寸时的极大值，而壁面的平均剪切

力为不同倒角尺寸对应的极小值。

4) 从壁面剪切力分布云图可以看出，壁面最大剪切力是在阀座内表面上靠近阀芯的夹角处，而不是在阀芯的棱边处，因为阀芯和阀座几何结构使得流体在此处产生了更大的漩涡，导致此处剪切力最大。

所以综上所述，可以得出如下结论，阀门闭合时，在满足小流量要求值时，增大阀芯倒角可以明显减小阀芯形阻系数。增大阀芯倒角尺寸能改变壁面剪切力，壁面的平均剪切力与壁面的最大剪切力具有相反的取值，也就是当壁面最大剪切力达到最大值时，而壁面平均剪切力却达到最小，即阀芯倒角尺寸能够能够改善平均的壁面剪切力，但是并不能改善局部的壁面剪切力，这个结论对于流体介质含有固体颗粒的阀门更为重要，因为壁面剪切力的分布直接影响到阀芯阀座的磨损情况，对于分析阀芯阀座的磨损有了理论上的依据。

[1] 陈金霞.V型调节球阀球芯结构及应用特点分析[J].应用研究,32(3).

[2] 姚晓春.V形调节球阀的数值模拟及结构优化[J].兰州理工大学硕士学位论文，2009：4-20.

[3] 张丰位.V形调节球阀阀芯结构与等百分比流量特性分析[J].兰州理工大学硕士学位论文.

[4]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.

[5] 周勇军，顾伯勤.Ansys软件在调节阀阀芯型线设计中的应用[J].化工机械，29(6).

[6] 张双德，张希恒，赵卿.直通单座调节阀阀芯形面优化设计[J].阀门 2010(4).

[7] 李明高，李明.Ansys13.0流场分析技术及应用实例[M].北京：机械工业出版社.

Relationship between Chamfer of V-ball Disc and Flow Parameter

YANG Hua-biao1, ZHANG Ji-ge1，SHI Bao-xin2，WANG De-zhong1

(1. School of Mechanic Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. No.7 Automatic Instrumet Factory of Shanghai Auto Mation Instrumentation Co.,LTD Shanghai 202150,China )

The V-ball disc regulating valve is used widely in the fluid industry because of its advantages such as low shape resistance coefficient,good fluid-shear ability and high controlling accuracy.In order to reduce the wall shear stress on the disc and disc seat during the fluid flow inside the valve, its the disc edge needs to be chamfered.

The V-ball disc is used for the presserizer spray control valve in the nuclear power station to regulate the flow.In order to find the relationship between the chamfer of the disc and the flow parameters,3D numerical simulations are carried out based on the RANS method and CFD software FLUENT which is built on finite volume method and K-ε and SIMPLE solver algorithm is employed during the calculations. From the numerical solution,it turns out that the chamfer on the edge of the V-ball disc increases with the increase of the volume flow rate,but reducing the shape resistance coefficient,increases the wall shear stress locally on the disc and disc seat.

spray control valve; chamfer;wall shear stress；shape resistance coefficicient

杨化飙(1984-)，男，河北邢台人，硕士研究生，主要从事核电站一回路中阀门的流动分析研究。

TH702

A

1671-5276(2014)02-0010-03

2013-01-29