异形高压节流调节阀气动载荷分析

杨建江 李娟 周帆

摘 要：本文以高壓气体作用下异形节流阀为研究对象，在不同开角、不同时间作用下，寻求阀芯处气动载荷大小的规律。研究结果表明：随着放气时间在增加，阀芯受到的气动载荷迅速增大，随着时间推移，阀芯的气动载荷也随之缓慢下降。阀芯的开合面积越大，阀芯的最大气动载荷越小；阀芯的开合面积越大，阀芯的最大气动载荷上升的速率越小，下降的也速率越小。研究成果旨在应用于阀芯转轴的研制和生产，为减少试验次数，节约试验成本，阀芯强度设计提供参考。

关键词：异形；调节阀；气动载荷

中图分类号：034 文献标识码：B

1 绪论

节流调节阀是各种流体装置中重要的控制设备，在石油、城市供排水、汽车、船舶、核工业、水利、化工、航空航天等各个领域中应用较为广泛。随着各个行业的不断发展，对调节阀产品的要求也越来越高，不仅要确保调节品质，还需要降低节流能耗。如何实现调节阀稳压、实现来流的快速响应是调节阀面临最为棘手的问题。而调节阀内的气体流动很大程度上决定了调节阀的稳定性，气体的流动与流动状态息息相关，因而，详尽的了解调节阀的工作参数，结构参数对气体流的影响规律，以及阀芯气动载荷大小，保证产品结构安全，改进它的工作性能，更好地促进调节系统整体工作状态，提高气流的稳定性是当前亟需解决的问题。

目前，国内节流阀行业科研水平仍处在刚刚起步阶段，基本停留在经验设计的方法上[1]，大量试验只能得到节流阀的使用最终结果，工作状态下，而无法得到通调节阀其内部实际参数变化，更无法知道其气动载荷，阀芯处的气动载荷是影响调节阀使用的关键因素，仅通过试验研究不利于后续新产品的研制。国外研究此类问题较早，大多数美国著名大学均开展相应阀体应用研究，其中在Bathe博士[2-3]的带领下，阀体问题研究取得了长足的进步，不但可以自主开发新产品，还远销国外，研究成果卓著，并且在有限元仿真软件中实现了调节阀的气动载荷计算、流固等多物理场求解问题，但国内外学者对异形高压节流阀研究较少，本文以高压气体作用下异形节流阀为研究对象，利用流体分析软件CFDesign，在不同开角、不同时间作用下，寻求阀芯处气动载荷大小的规律。

2 气动载荷理论建模

利用数学方法建模是解决阀芯气动载荷一种有效方法，根据物理模型建立阀芯的数学模型，通过数学模型建立方程组，然后求解未知量。对于阀芯气动载荷问题，确定阀芯的气流是一个不均匀场，是个非线性问题，首先将阀芯分割成若干个单元即离散化，转化为线性问题求解。依据初始条件和边界条件建立方程组，用数值分析的方法求解方程组，得到微小单元上的气动载荷，再通过积分的方法求解整个阀芯的气动载荷。

利用上述思想求解阀芯处的气动载荷，流体域和气动载荷分别离散化，可以将流体域表达为（1）式，

3 计算模型及边界条件

在高压气体作用下，异形节流调节阀内气体的流动是复杂的湍流流动，调节阀简单示意图如图1所示，调节阀直径为40mm，总长为150mm，阀芯直径为20mm。依据其异形节流高压调节阀的实际结构，建立其可视化的三维仿真模型，这里仿真计算阀芯开合等效截面积分别为20%、40%、60%、80%的四种情形，等效截面积如图2所示，如图可看到内部区域异形结构，调节阀气体压力平衡式阀芯。

根据调节阀工作状态，求解阀芯的气动载荷时，整个流道作为流体仿真的计算域，由于调节阀工作状态为高压气体，因此建立气体流动的湍流模型，根据流体仿真的特点，分析整个流体域，为了达到理想的分析结果，为确保入口和出口处流体单向流动而不产生回流，必须增加流体域来保证边界条件施加的准确性，将入口和出口管段分别增加10%，即15mm，如图3所示。气动载荷分析模型和边界条件根据调节阀实际工作状态设定，调节阀入口端连接4.5MPa高压气瓶，出口端是能力释放单元，高压气体推动100Kg质量的物体，计算阀芯转轴处的气动载荷。

流体分析时设定调节阀入口为压力条件，出口为自由边界，阀体流道设定为光滑壁面边界条件，建立三层边界层，初始条件由稳定的高压来流实际工作工况决定。采用湍流模型，常温下空气的材料属性如下表。通过计算，得到阀芯处气动载荷分析结果。

为了保证精度的要求，在对阀体进行网格划分时，在阀芯区域内，网格划分较密；在其他流道区域，不影响计算精度的情况下，网格划分较稀疏。采用非结构网格进行划分，将阀体抑制，仅保留流体域，将所有壁面自动添加三棱柱加密网格，边界层采用软件默认功能。在不同开合角度和不同开合面积情况下计算阀芯处的气动载荷。

4 计算分析

为了研究不同开合面积的阀芯所受气动载荷，分别数值模拟了不同开合面积、不同开合时间情况下阀芯的气动载荷。本文仿真计算了A=20%、A=40%、A=60%、A=80%四种等效开合面积情况下，在60ms内阀芯所受气动载荷情况，其计算结果如图4，纵坐标单位为牛（N），横坐标单位为毫秒（ms）。

研究结果表明：在调节阀开启很短的时间内，阀芯受到的气动载荷迅速增大，随着时间增加，阀芯的气动载荷也随之缓慢下降。阀芯的开合面积越大，阀芯的最大气动载荷越小；阀芯的开合面积越大，阀芯的最大气动载荷上升的速率越小，下降的也速率越小。

5 结论

数值仿真结果表明：在调节阀开启很短的时间内，阀芯受到的气动载荷迅速增大，随着时间增加，阀芯的气动载荷也随之缓慢下降。阀芯的开合面积越大，阀芯的最大气动载荷越小；阀芯的开合面积越大，阀芯的最大气动载荷上升的速率越小，下降的也速率越小。

通过以上的仿真分析可知，分别得到了不同开合面积下阀芯的气动载荷，研究结果旨在应用于阀芯转轴的快速研制，大大减少试验次数，准确定位试验项目，节约试验成本，阀芯参数化设计提供理论依据。

参考文献：

[1]田丰，邓少翔，韩景复，等.国产600 MW 汽轮机单顺阀滑压运行特性试验研究[J].汽轮机技术，2009（2）：144-147.

[2]BATHE K J， ZHANGH， A flow condition base dinater polation finite element procedure for incompressible fluid flows [J].Computers & Structures， 2002， 80：1267-1287.

[3]KOHNOH，BATHE K J.Anine-node quadrilateral FCBI element for incompressible fluid flows[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids， 2006，51：673-699.