高粘度流体截止阀开度优化模拟研究

2019-05-25胡艳凯何备林

四川轻化工大学学报(自然科学版) 2019年2期

胡艳凯，何备林

(1.陕西国防工业职业技术学院机械工程学院，西安710300;2.西安理工大学机械与精密仪器工程学院，西安710048)

引言

截止阀作为最重要的截断类阀门之一，在航空航天领域发挥着重要作用[1]。得益于科学技术的发展，学者们采用实验和计算流体力学等方法对各型截止阀的开度因素进行了大量的模拟研究，成果丰硕。例如：罗向龙等[2]针对某型空气源热泵开展了研究，得出了在相同的充灌量下除湿量和单位输入功率除湿量随电磁阀开度变化的曲线。王志华等[3]对R134a空气源热泵热水器样机进行了实验测试，在最佳充灌量下研究了膨胀阀开度对系统性能的影响，结果表明增大膨胀阀的开度可以提高系统的COP。杨永忠等[4]基于响应曲面法研究柴油机性能，结果表明随着EGR阀开度的增大，柴油机动力性下降，经济性恶化；当VNT与EGR耦合时，在最大转矩工况下和EGR阀关闭及开度较小时，随着VNT喷嘴环开度的减小，转矩呈现增大的趋势。李智等[5]采用数值模拟方法研究粒子在有风阀的通风管道中的沉积规律，分析风阀开度对不同粒径粒子沉积效果的影响，结果表明风阀开度越小，粒子在风管中的沉积量越大。Qian J Y等[6]对PCGV稳态阀芯位移进行了实验和仿真比较研究，分析了弹簧刚度对流量特性和开闭响应时间的影响，并提出了弹簧选择的修正方程，研究有利于PCGVS或类似弹簧阀门的进一步设计工作。文献[7-15]在不同的应用领域，针对各种型号的电子膨胀阀的开度进行多因素分析，揭示了众多流场规律。

但是对适用于高粘度流体的截止阀开度的研究却并未见公开报道，所以本文基于计算流体力学的动网格技术对高粘度流体截止阀的动态关闭过程进行模拟分析，对截止阀的设计和应用具有重要的指导意义。

1 截止阀开度初步设计

高粘度流体阀门研究的目的是解决普通阀门不适用于高粘度液体的问题。一方面：由于高粘度流体本身粘度非常高，其粘性引起的摩擦阻力远大于普通流体，而市面上的阀门结构都比较复杂，流道对流体流动造成非常大的形状阻力，但结构简单的被动单向阀又要求流体损失动能克服密封装置做功才能打开阀口，这个过程给本就不易流动的高粘度流体带来额外的流动阻力，造成不必要的水头损失；另一方面：市面上的阀门基本都是根据常用国标尺寸系列或市场热销类型为标准来生产的，所以很难采购到非标的能够应用于本研究项目的合适截止阀。

考虑到上述原因，根据阀门设计手册和阀门设计使用经验，高粘度流体阀门设计采用常闭式截止阀的阀门形式，选择推拉式电磁铁来作为驱动器。

为了减小高粘度流体的过流阻力，阀门设计为主动开启式，以尽量减小流体在阀门处的水头损失；阀门设计着眼于能实现对管道的快速通断控制而不需要调节流速流量，并且结构足够简单，且过流阻力小，以及维修保养简单等特点，因此选用截止阀为最优方案。结构简单带来的另外一个优点就是加工难度低，制造周期短。

由于高粘度流体流动阻力大，所以将阀芯初步设计为球形，其圆轮廓有利于较小流束的阻力。文献[16]提出：当截止阀小开度工作时，流经阀门内壁与阀杆间的速度通常高达数十米每秒，导致阀门密封面或阀杆遭到损坏。同时，为获得较小的过流阻力，需尽可能设计较大的阀门完全开度，使流束在密封线附近有充足的过流空间。综合考虑后，将最大开度初步设计为5 mm。

截止阀结构如图1 所示，图中1为HCNE型推拉式电磁铁，2为复位弹簧，3为限位卡扣，4为螺钉，5为阀盖，6为阀座，7为阀芯，8为动密封压盖，9为O型密封圈，10为密封圈压环，11为阀芯氟胶密封圈，其内流场腔体基本尺寸见表1。

图1 截止阀结构图

表1 截止阀内流场腔体基本尺寸

2 动网格设置

2.1 动网格理论

有限元网格模型是将虚拟物理模型进行有机的细化，分成有限个微小单位元，每个单位元通过共边或者共点的方式相互连接，构成整体模型。这些单位元既可以是二维的面单元，也可以是三维的体单元。求解方式是在边界条件已知的条件下，边界处单位元可通过插值运算的方式求解出其他未知节点的运动参量，然后传递给共边或共节点的相邻单位元，依次类推可以得到由有限个运动参量已知的空间点组成的整个流场的运动场情况。但是当某个模型的某个部位为运动的，单位元就会变形，当单位元拓扑率足够大时，通过插值计算得出的运动参量精度就会非常差，导致模型分析结果可信度低。动网格技术由此应运而生，用户通过该技术可合理设置网格拓扑率以指定网格运动范围。当模型运动时，如果网格变形超出这个范围，那么这个局部网格就会重新被强制调整，有可能是进行局部光滑处理，也有可能是局部增加或较少，抑或是局部重新划分。经过调整后的网格会重新获得很高的质量，可计算出足够高精度的运动参量值。

有限元中动网格技术的具体实施是通过合理指定模型的运动件和指定运动方式相配合来完成的。指定运动方式可以通过Fluent软件自带的边界函数和调用外部自定义程序(UDF)相结合来实现；由于Fluent软件自带的边界函数操作不便，函数类型有限，所以本文采用调用外部自定义程序的方式来控制运动件的运动方式。

由于Fluent软件计算原则严格遵循连续性方程，所以模拟计算的动网格不可以运动到5 mm，否则会出现动网格和静网格的直接接触，造成边界类型出现逻辑错误，导致网格重构失败。故设置模拟最小开度为0.01 mm，即阀芯从完全打开的位置向密封圈移动4.9 mm。

2.2 阀芯运动程序设计

由于Fluent软件的底层程序由C语言构成，所以对于外部自定义程序也需要使用C语言来进行编程。UDF程序的主要部分命令流如下所示：

DEFINE_CG_MOTION(valve, dt, vel, omega, time, dtime)%调用宏命令

{

real NV_VEC (A);%指定阀芯动网格面

FILE *f_frc;

{

if(loc_prev>=4.9)%循环语句判断条件

v_prev= -1;%指定速度值

else

return;

}

loc_prev=loc_prev+v_prev*dtime;%阀芯路径更新

vel[2] =v_prev;%阀芯速度赋值

}

3 截止阀关闭过程模拟分析

3.1 时间步长敏感性分析

对于瞬态分析而言，时间步长的设置是一个矛盾体，即时间步长与计算步数成反比。设置足够小的时间步长有利于反映流场中非常细微-快速的变化，但同时使计算时间呈正比增加，导致效率成倍下降；反之，设置较大的时间步长，就有可能忽略了微小的流场涡旋作用，使流场的模拟准确度大打折扣，导致计算结果精度下降。因此，对时间步长敏感性的检验分析变得非常必要。

参考相关文献设置经验，本节分别设置时间步长为0.01 s、0.001 s、0.0001 s、0.000 01 s和0.000 001 s，控制其他变量不变来进行模拟对比分析。不同时间步长的截止阀压降如图2 所示。

图2 不同时间步长的截止阀压降

从图2 可知，迭代时间步长从0.01 s减小到0.0001 s时，压降折线的斜率比较大，波动比较明显；当时间步长小于1e-5后，压降变化平缓。其原因是：当时间步长比较大时，液体从进口流入层流遇到形状阻碍后，由于局部单位元迭代计算的细分量不够小，造成计算值描述的湍流还未经充分发展就被传递给下游的单位元，导致模拟计算失真。流层之间的湍动不够强烈，局部流层混乱程度小使机械能损失小，导制截止阀在这种步长下的压降小。但随着时间步长的减小，迭代计算捕捉到更小尺度的漩涡和局部二次流，此时模拟对于湍流的描述相对前者而言有一定程度改善，造成压降增大；当时间步长足够细小的时候，迭代计算能够将绝大部分的湍流都捕捉到；随着时间步长继续减小，剩下的还没有被描述的局部漩涡也越来越少；同时，过小的漩涡对整体流场的影响可以忽略不计，所以此时压降变化并不明显。

另一方面，在模拟计算时，随着时间步长的减小，整个模拟计算时间和计算机的物理计算内存占用率都成倍增加。所以考虑到对计算精度和计算效率的综合影响，本文选取时间步长为0.000 01 s。

3.2 模拟分析边界条件设置

高粘度流体属于微可压流体，故采用压力求解器，并激活瞬态分析模式；模型设置为RNG k-e；设置流体粘度为6 Pa·s，密度为1160 kg/m3；

为避免恒定流量进口边界条件掩盖了流量变化的反映，选择入口条件为pressure-inlet，其中大小设置为500 000 Pa，标量设置Turbuluent Intensity为0.05、Hydraulic Diameter为0.01 m；出口压力设置为30 000 Pa，标量同进口。

在define中导入UDF程序，并激活动网格中smoothing、layering和remeshing，设置spring constant favtor为0.4，minimum length scale为0.2 mm，maximum length scale为1 mm，maximum cell skewness为0.7；动网格域设置为阀芯面，type设置为rigid body，在meshing options里设置cell height为0；设置时间步长为0.000 01 s，每50步记录一次参数。

3.3 截止阀开度模拟分析

为充分了解截止阀在关闭过程中，阀芯不同高度对阀门流量以及过流性能的影响，定义阀芯以1 m/s的速度匀速关闭进行模拟，每间隔0.5 mm输出一个瞬态相对压强图。阀门不同开度下的模拟压强如图3 所示。

图3 阀门不同开度下的模拟压强图

从图3 可知，随着阀门开度的降低，瞬态模拟压强图的极值呈现近似指数式地增长。正是由于极差非常大，所以出图时没有将左侧的刻度标尺进行统一规划。图3 (a)至图3 (d)的压场分布比较规则，压强由进口沿流线向出口递减，横向梯度均匀，没有出现局部涡流，说明该阀门开度没有对高粘度流体的过流状态造成大的影响。图3 (e)至图3 (j)中均出现空白区域，即压力场中出现沿流线方向相反的压强梯度，从图中阀芯的左上角可以看出很高的局部压强，甚至高于进口压强，达到了刻度标尺上限之上的高度，且能看见越来越明显的不规则漩涡。

为进一步说明阀芯上方区域的湍动情况，下面给出内流场速度矢量图，如图4 所示。

图4 内流场速度矢量图

从图4 (a)～图4 (d)可知，阀芯位置在1.5 mm和0.5 mm时，阀芯侧方的速度都出现了明显的逆流线方向矢量，且后者更加明显；同时，逆流矢量长度大于周围顺流线速度矢量；阀芯位置在0.5 mm时局部湍动速度，大于阀芯位置为1.5 mm时的速度，该变化趋势与压强的变化趋势(图3 )一致，由此说明阀芯两侧的局部湍动异常剧烈。

产生上述结果的原因是过流面积大幅减小，进口的压强累积到阀口处产生局部射流，引起局部压场重新分布，即形状阻力导致边界层分离引发强烈的局部湍流。文献[17]也出现了与本文类似的现象：阀芯出口侧和阀体出口段下游位置出现了低压区域，阀芯开启后形成的流动间隙是压降产生的主要原因。阀芯在阀杆的带动下运动，在结构力学上类似于悬臂梁结构，局部湍动会引发阀芯的喘振，这也是造成噪声和气蚀的重要原因之一，同时也造成悬臂梁结构左右受力不均匀，长期工作的情况下非常不利于阀杆上方的动密封，并严重影响阀芯的寿命和密封效果。

局部高强度湍动发生在阀芯上方，而高速射流发生在密封线附近，这个现象非常符合流体动力学原理，即：湍动的发生是由于剪切压降引起的，而跟该区域流速大小无关。

阀芯运动到4.9 mm位置时，截止阀内部流场的瞬态波动压强高达2.12 MPa(图3 (j))。这个瞬态高压会对阀芯和阀体施加一个冲击力，严重时会损坏系统结构造成经济损失和员工人身安全伤害，所以建议在工程中高速高压的工况下，将截止阀与安全阀或泄压阀配合使用，以削弱流体瞬态冲击的影响来保证系统安全性。

瞬态模拟输出的阀芯运动面相对阀门进口边界的阻力系数曲线如图5 所示。

图5 瞬态模拟阻力系数曲线

从图5 可知，从瞬态流动时间0.0025 s起，阻力系数开始出现脉动现象，且越来越剧烈，说明流场出现明显的湍流波动，说明这几种开度对高粘度流体的过流造成很大的影响，且随着开度的降低，阻碍作用越明显。

进口段中间压强明显比进口边界和阀内腔体都高一个色级(图3 (i))，说明此时已经产生“水锤”作用；由于阀门开度很低，由进口流入的高粘度液体流到阀芯处时受到严重阻碍而无法顺利向下游继续流动，但因惯性作用流体并不能立即停止下来，源源不断的来流就会向前撞击和挤压，给阀门的阻碍结构一个液动锤击力；这个力并没有被阀门吸收，因此动能聚集成压能后只能向其他压强较低的方向倾泄，即反流向方向；压能形成一股压力波沿反流向方向传递，图3 (i)中正好处于这个反流向传递状态，图5 中也反映出了这一变化，即图中的最大波峰。由于图3 (i)中捕捉的是阀门0.5 mm开度的时刻，对应瞬态流动的0.0045 s；而图5 中最大波峰出现在瞬态流动时间的0.006 s处，出现时间差的原因有二：(1)由于流体惯性引起的压能聚集在0.0045 s之前已经开始，同相的反向压力波传递早在异相的阀结构发生泊松耦合变化之前就已发生；(2)流体液动压力引起阀门固体结构行程流固耦合作用的过程也需要传递时间，并不是绝对地同时发生，ANSYS软件的迭代计算方式在本质上很好地体现了这一微小时间差。

图6 密封圈截面质量流量率图

密封圈处截面的质量流量率监控图如图6 所示。

从图6 可知，阀门开度刚开始下降时，对高粘度流体的质量流量率基本没有影响，但是当开度下降到三分之二附近的位置后，阀门的质量流量出现非常明显的上升，这与图3 反映的变化趋势高度一致。

出现这种现象的原因是由于阀芯在关闭过程中，其轮廓下降到密封吼线以下时使密封线处的有效过流面积减小，但是进口处压强保持恒定，所以阀芯处的压能聚集使减小的有效过流面积内的过流速度明显提高，导致质量流量率上升。

阀门不同开度下的压强图如图7 所示。

图7 阀门不同开度下的压降图

从图7 可知，在0到0.0015 s的时间步内，压降曲线比较平缓，增长幅度很小；但在0.0015 s以后，每段0.005 s间隔内的曲线斜率都比前段的斜率要高，说明流阻从0.0015 s以后开始越来越大。

综上所述，截止阀的最大开度优化为3.5 mm时更加合适。一方面，3.5 mm的开度对于高粘度流体的过流基本不造成阻碍作用，并保留一定的安全余量；另一方面，减小阀门最大开度就是减小驱动件电磁铁的最大行程。最大开度为3.5 mm时，在保证足够驱动力的前提下可大幅减小电磁铁的尺寸和耗用功率，科学合理地降低了制造成本，并能获得更小巧的外形尺寸。