ANSYS在阀门研发中的应用

雷 鹏，汪小峰，冯立斌

（安徽铜都流体科技股份有限公司，安徽桐城 244000）

ANSYS在阀门研发中的应用

雷 鹏，汪小峰，冯立斌

（安徽铜都流体科技股份有限公司，安徽桐城 244000）

阀门结构较为复杂，在设计过程中需要借助功能性软件。ANSYS是当前设计阀门最便捷、最有效的软件，通过ANSYS可对阀门实际情况进行模拟，并对各种结构进行有效演练。ANSYS是当前应用最为广泛的阀门仿真软件，就ANSYS在阀门研发设计中的应用展开分析，为阀门研发提供理论基础。

ANSYS；阀门；研发

当前无论在流体机械或是流体传动控制系统中，需要使用阀门作为系统构建，在流体系统中阀门主要作用是控制流体的压力、流量、方向等，使得流体系统可稳定运行。ANSYS已经是当前阀门研发中必不可少的软件，通过ANSYS可对各种情况进行模拟，控制各项因素。

1 ANSYS模拟低温环境下阀门研发

1.1 材料的物性参数

该低温蝶阀主体结构采用特定不锈钢材质，公称直径为DN250，密度为8 000kg/m3。在研发设计中采用长颈阀盖结构，将填料函隔离在低温区域外，并选用耐低温的石墨材料作为填充料，石墨材料一般问柔性石墨。设计计算中取平均导热率87W/（m·K），平均比热容为510J/（kg·K），密度为1 530kg/m3。

1.2 瞬间传热分析

瞬态平衡表达如下：

实际传热中，材料特性参数、边界条件等与温度有一定相关性，因此瞬态热平衡表达式如下：

1.2.1 ANSYS瞬态传热分析主要过程

建模：建模时首先需要定义材料属性，对构成材料的导热系数、比热进行科学定义。平均导热率87W/（m·K），平均比热容为510J/（kg·K），密度为1 530kg/m3。建模选取网格单元边长为0.001，并对不同面积定义材料属性。

1.2.2 瞬态传热分析

使用POSTI对模型进行后处理，将热传流系数设置为120W/（m3·K），并将冷却温度定义为-105℃。将热传流系数设置为120W/（m3·K），并将冷却温度定义为-105℃时，低温阀在该环境中开始降温，由环境温度降到低温阀最高温度-102.4℃共需耗时10 308s。保持其他条件不变，仅改变对流传热系数，蝶阀从由环境温度降到低温阀最高温度-102.4℃所需时间随对流传热系数关系。蝶阀从由环境温度降到低温阀最高温度-102.4℃所需时间3次多项公式如下：

T（S）=-0.002 6h3+1.1h2-182.2h+20 250.6法兰处受到螺栓应力影响其应力集中于阀体与阀颈部相连处，热应力最大值为0.17GPa，对比与阀体屈服强度1.24GPa相距较远，属于弹性形变。

2 基于ANSYS的阀门阻力系数研究

2.1 研究模型

本文以闸阀为例进行ANSYS软件对阀门阻力系数研究。对闸阀进行模型简化后只需建立带有闸板的闸阀通道模型即可。设闸阀下端点为坐标原点建立坐标系，在闸板开度为500情况下其几何模型见图1。

图1 闸板几何模型

将阀门进口速度与进口压强作为进口边界条件，设参考系为绝对参考系，此条件下给予阀门一定均匀流向流体作用，设其垂直于进口面，流速为1、2、3、4、5m/s，进口表面压强为2kPa。流体在出口处为自由流方式，出口表面压强为0.固壁质点满足无滑移，因此壁面速度为0。根据闸阀特点，对其采用k-ξ而方程湍流模型，通过ANSYS软件对其进行分析，ANSYS软件中的FLOTRAN CFD可对阀门内部流场特性进行科学模拟。

2.2 闸阀阻力系数计算

设定水温条件为20℃，此条件下水密度为998.2kg/m3，黏度为100.5μpa.s.设阀门内径DN50时其开度分别为10%、20%、30%、40%、50%、60%、75%、100%，流速为1、2、3、4、5m/s，模拟此条件下闸阀内部节点压力场。

根据流体力学可知，阀门阻力特性可定义为：Δp=ξρu2/2。Δp其中为阀门前有压力差，ξ为阻力系数，u为横截面处均速，ρ为密度。在此基础可得到其最低静压值，从而计算出阻力系数。若其表面压强为2kPa。随着开度不断增加，其阻力系数减小，若保持开度不变，则阻力系数随进口速度增大而减小。

选取管径为（DN25、DN100、DN200）的闸阀进行模拟对比发现，进口速度为3m/s时，进口压强为2kPa。保持阀门内径不变，通过软件分析绘制闸阀阻力系数-开度变化曲线。保持闸阀内径不变，其阻力系数随着闸阀开度增加而减小。保持闸阀开度不变，其阻力系数随着闸阀内径增加而增大。

2.3 ANSYS模拟阻力系数研发设计结论

通过ANSYS模拟阻力系数，对阀门内部流场进行有效分析，得出研发设计过程中需注重阻力系数的设定，其影响因素包含开度、进口速度、管径、流速等，得出接近实际的结果，并对结果进行验证，确保设计科学性。

3 结束语

阀门在生活和工业中有重要应用，其结构性能与其所在系统稳定性及质量息息相关。阀门研发设计需通过ANSYS软件设定参数，验证阀门设计各细节部分，不断进行针对性优化，为阀门研发奠定理论基础，提高阀门可靠性及稳定性。

[1] 吴若菲.基于ANSYS的LNG船用超低温阀门的数值模拟分析[J].低温工程.2012，（1）：41-43.

[2] 邹鑫。基于ANSYS的闸阀内部流场模拟[J].化工装备技.2014，（10）：36-43.

[3] 余晓明.基于ANSYS的低温蝶阀模拟试验与数据分析[J].低温工程.2015，（8）：23-27.

Application of ANSYS in Valve R & D

Lei Peng，Wang Xiao-feng，Feng Li-bin

The valve structure is more complicated.In the design process，ANSYS is the most convenient and effective software for the design of the valve.ANSYS can simulate the actual situation of the valve and carry out the effective exercise of the various structures. ANSYS is currently the most widely used valve simulation software，ANSYS in the valve R & D design application analysis，to provide a theoretical basis for valve research and development.

ANSYS；valve；R & D

TH134

A

1003-6490（2017）01-0172-02

2016-12-11

雷鹏（1982—），男，安徽桐城人，工程师，主要研究方为阀门设计。