基于FLUENT软件的多级降压调节阀涡振特性分析

2022-10-13徐东涛葛长榕孟祥瑞于晓光

流体机械 2022年8期

徐东涛，葛长榕，孟祥瑞，于晓光

（辽宁科技大学机械工程与自动化学院，辽宁鞍山 114051）

0 引言

在现代工业生产中，调节阀是管路系统不可缺少的元件之一，它能起到调节与稳定流量、压力等作用［1-3］。随着科技发展，高参数工况对调节阀的可靠性和流量特性的要求越来越高。

目前对调节阀结构、流量特性等方面的研究比较成熟，但对调节阀内部流体振动特性方面的研究并不充分［4］。管路系统中，流体流经调节阀时，尾流中可能会形成漩涡，涡的脱落具有周期性，存在脱落主频率。当脱落主频率与调节阀的固有频率相等或相近时，将会引发涡激共振，严重影响管路系统的安全。王海民等［5-7］采用热流固耦合模态分析方法得出三偏心蝶阀的固有频率，再结合卡门涡街频率计算公式，得出漩涡脱落主频率，验证三偏心蝶阀能否发生共振；康庄等［8-9］研究了迟滞效应、表面粗糙度、旋转自由度及附加质量系数变化对圆柱立管的涡激振动影响；CHIZFAHM等［10］研究了风速对涡轮机升力系数的影响，得出漩涡脱落与结构振荡具有同步性的结论。目前，对涡激特性的研究大部分仅是针对蝶阀等内流场和某些外流场，而对调节阀内流场的涡振特性研究较少。大多数调节阀模态分析只考虑自身结构，并未考虑复杂工况下温度、流场压力等的影响。

本文首先利用ANSYS Workbench平台下FLUENT模块对多级降压调节阀复杂内流场进行先稳态后瞬态分析，得到流场漩涡脱落主频率；再利用热流固耦合模态分析方法替代传统模态分析，得出调节阀工作状态下的固有频率，并与漩涡脱落主频率对比，验证调节阀是否会发生涡激共振现象。

1 多级降压调节阀结构

多级降压调节阀结构如图1所示。其由阀体、阀座、多孔套筒、阀芯、压笼、阀盖和阀杆主要零件组成。多级降压调节阀的阀杆在外部执行器的作用下，带动阀塞上下移动改变内层套筒上节流孔的有效节流面积，从而实现流量调节，同时也有较好的降压功能；外两层多孔套筒可以降低介质的流动流速，将阀两端的高压差逐级分解，有效防止闪蒸、空化现象产生。

图1 多级降压调节阀结构Fig.1 Structure of multi-stage pressure reducing valve

2 仿真模拟前处理

2.1 调节阀流体模型建立

利用Solidworks三维软件建立DN250多级降压调节阀，如图1所示。通过反向建模生成流体模型，将流体模型划分进口、阀体、出口三部分，不同部分采用不同有限元网格形式，以提高仿真效率，如图2所示。

图2 调节阀流体网格模型Fig.2 Fluid mesh model of the valve

多级降压调节阀介质为液态水，流量特性为直线型，调节阀标准工况见表1。调节阀具有平面对称性，为减少计算量，提高仿真计算效率，仿真时采用一半模型。

表1 调节阀标准工况参数Tab.1 Standard operating parameters of the valve

2.2 湍流模型选择

本文采用RNGk-ε湍流模型进行瞬态流场模拟［11-12］。RNGk-ε模型是在Standardk-ε模型基础之上发展而来，在复杂流场流动问题中，RNGk-ε模型已经被证明比Standardk-ε更准确，但收敛性更难。其控制方程如下：

湍动能k方程：

湍流耗散率ε方程：

式中 μ——介质黏度；

Gk——平均速度梯度引起的湍动能生成项；

ρ——介质密度。

2.3 网格无关性验证

使用ANSYS Meshing软件进行网格划分，采用四面体/六面体混合网格，对节流孔处进行局部加密处理，使计算结果更加准确，具体数据见表2。

表2 流体网格无关性检验数据Tab.2 Fluid grid independence test data

由表2可知，网格数量从517 781 8进一步细化到636 121 2时，出口流速与出口流量值均没有明显变化，均在0.5%以内，进一步细化对仿真结果没有明显影响，此时满足网格无关性要求。

2.4 瞬态模拟参数设置

边界条件：入口、出口压力、介质温度与材料属性均按表1查询与设置；初始条件：以相同工况稳态场作为瞬态场的初始值，以达到加速收敛的目的；参考值设定：以入口作为参考起点，计算区域为整个流体域；环境压力设置0 MPa，考虑重力加速度对流体流动的影响；Time Step Size设置 0.000 25 s，Number of Time Steps设置 8 000，计算前2 s调节阀内部的流体流动情况。对小开度（10%开度）、中等开度（50%开度）、全开（100%开度）3种工况下2 s时刻流体流动特性进行分析仿真试验。

3 流场分析

3.1 流量特性分析

调节阀阀芯的最大行程为100 mm。对各开度下流经调节阀的体积流量进行监测，仿真结果表明，调节阀的流量系数Cv为358.96，将其换算成相对流量系数C（各开度流量值与标准值的商）与标准值进行比较形成流量特性曲线如图3所示。

图3 流量特性曲线Fig.3 Flow characteristic curve

最大误差在10%开度下，为6.69%，最小误差在100%开度下，为0.29%，仿真结果表明该调节阀具有良好的直线型流动特性。

3.2 流量试验

为验证仿真结果的可靠性，设计了可循环流体的并联流量试验装置，试验装置由4条并联的测试管道组成，它可以测试公称通径为DN15至DN650的调节阀的流量，将被测阀门安装在测试点，试验时将该测试管路两端的手动球阀的打开，其他管理的球阀处于关闭状态。压力计连接在被测阀门的入口和出口处，压力计数据可以被传输到控制系统。控制系统通过变频器初步调节被测阀两端的流体压力。供水区由4台并联管道泵组成。当需要更大的流场压力时，多个管道泵可以同时工作。电动压力调节阀连接在被测阀门的两侧，可以精确调节阀门进出口的压力。当压差满足测试要求时，可以从电磁流量计中读取流量。试验装置如图4所示。

图4 流量试验装置Fig.4 Flow rate test device

根据企业流量测量标准，在每个开度，在阀门两侧设置35，50，75 kPa 3个不同压差，测量流量10次并取平均值。根据方程Cv=11.56Q（1/Δp）1/2，将3个压差下的流量转换为流量系数，流体可以回收，每条测试管道的流体通过回流管送回储水箱，试验测得3个压差下各开度的流量见表3。

表3 流量试验数据Tab.3 Flow rate test data

根据表3中的数据，阀门的流量特性符合直线型特性，其Cv为366.57 m3/h。在阀全开时，试验流量略大于仿真流量（Cv=358.96 m3/h），试验流量值与仿真和理论值基本一致，表明对该阀流场仿真是可靠的。

3.3 流场压力和涡核流速分析

对小开度（10%开度）、中等开度（50%开度）、全开（100%开度），2 s时刻流场流体流动特性进行分析，图5示出3种开度调节阀内流场压力分布云图，图6示出3种开度流体涡核速度云图。从图5中可以看出，多孔套筒前端流体压力接近于阀前压力，流体流经节流孔时，能量损失，流体压力明显下降。图5（a）中最内层套筒下面一排节流孔的一部分处于流通状态，阀内流体的静压在节流孔处产生明显压降。由于小开度流量相对较小，外层套筒降压效果不明显。从图5（b）和5（c）可以看出，随着开度增大，流体介质经过各级套筒后均有明显压降。从图6中可以看到，涡核区域流体最大流速均位于多孔套筒的节流孔处，随着开度增加，节流孔处漩涡数量逐渐增多，漩涡速度逐渐减小，漩涡尺寸从大涡转变成小涡，且已经形成脱落状态，这种状态极易造成调节阀涡激振动。

图5 2 s压力分布Fig.5 Pressure distributions at 2 s

图6 2 s涡核速度云图Fig.6 Vortex core velocity distribution at 2 s

4 涡激振动频谱分析

漩涡脱落是涡激振动的主要原因，当漩涡脱落时，顺流会形成曳力，横流会形成升力，升力系数表达式：

式中CL——升力系数；

FL——涡激升力，N；

ρ——来流介质密度，kg/m3；

U——来流速度，m/s；

A——迎风面积，m2。

升力系数的峰值频率就是涡旋脱落的主频，即涡激振动的主频。图7示出升力系数时域特性曲线。

图7 2 s内升力系数时域曲线Fig.7 Time domain curve of lift coefficient in 2 s

调节阀在10%开度时，升力系数波动范围为0.798～0.875；调节阀在50%开度时，升力系数波动范围为0.124～0.168；调节阀在100%开度时，升力系数波动范围为0.033～0.087。由图7分析得到：升力系数随开度增大而减小，3种开度下，调节阀升力系数的数值变化范围均较小，但在小范围内数值震荡均较剧烈。

计算过程中输出升力系数时域特性信息，经过快速傅里叶变换后得到调节阀0～2 000 Hz范围内的频域功率谱密度（PSD）［13］。调节阀涡激振动主频集中0～200 Hz范围内，图8示出频域功率谱密度曲线。图8中，纵坐标为升力系数的功率谱密度，横坐标为频率。

图8 升力系数频域曲线Fig.8 Frequency-domain curve of lift coefficient

分析得到：多级降压调节阀在3种开度下均存在漩涡脱落主频，且具有多个主脱落频。在10%开度时，漩涡脱落主频率在140 Hz以内。在50%开度时，漩涡脱落主频在20 Hz以内。在100%开度时，漩涡脱落主频在40 Hz以内。10%开度时，调节阀涡激振动最剧烈。调节阀的涡激振动主频在0～140 Hz以内。

分析升力系数时域特性与频域特性曲线得出：引起升力系数变化的主要因素为多级降压调节阀的开度。不同开度下，流体流经不同节流孔时，流速受到的扰动不同，造成升力系数的波动也不同。相比于其他2个开度，小开度的漩涡脱落主频多分布范围广、功率谱密度幅值大，导致调节阀在小开度运行时，更容易产生涡激振动。所以，多级降压调节阀在启闭阶段最易发生涡激振动，同时应尽量减少调节阀小开度下工作状态。

5 热流固耦合模态分析

在ANSYS Workbench平台下联用流场、温度场、静力场与模态分析模块。流场中计算稳态压力场、温度场，将其导入流固耦合面；温度场中计算调节阀温度；静力场进行调节阀多场耦合计算，将计算结果导入模态模块，从而完成预应力模态分析［14-15］。

5.1 耦合模态分析理论

多级降压调节阀热流固耦合模态分析计算理论方程如下。

固体振动和位移的控制方程：

耦合控制方程：

有预应力的模态方程：

式中Ms——结构体质量矩阵；

rs，rf——流固耦合面固体和流体位移；

Cs——结构体阻尼矩阵；

Ks——结构体刚度矩阵；

τs，τf——流固耦合面固体和流体应力；

qs，qf——流固耦合面固体和流体热流量；

Ts，Tf——流固耦合面固体和流体温度；

S——应力刚度矩阵；

ωi——结构体第i阶固有频率；

｛φi｝——结构体第i阶阵型向量。

5.2 固体网格划分与边界条件

采用ANSYS Meshing软件进行混合网格划分，并对多孔套筒的节流孔处进行局部加密处理。考虑其对称性与计算效率，采用半模型。以全开下模型为例，其网格如图9所示。多级降压调节阀零件材料属性见表4。

图9 调节阀最大开度网格模型Fig.9 Grid model of the valve with max opening

表4 零件材料参数Tab.4 Material parameters of parts

静力场中加载耦合面压力信息，调节阀温度信息，对阀进口端施加固定约束，出口端施加位移约束，考虑重力加速度影响。以调节阀最大开度为例进行说明，如图10所示。

图10 调节阀静力场加载信息Fig.10 Static field loading information of the valve

5.3 模态频率分析

多级降压调节阀3种开度的前6阶热流固耦合模态频率见表5。

表5 调节阀模态频率Tab.5 Modal frequencies of the valve Hz

由表5可知：多级降压调节阀开度越大，各阶模态频率均逐渐减小；各开度下随模态阶数的增大，调节阀模态频率均逐渐增大。调节阀的一阶模态频率均大于33 Hz时，可以采用等效静力法进行抗震分析［16-17］。

5.4 模态变形分析

高阶模态频率和振型可以看作若干个低阶模态振型的组合。故计算得出多级降压调节阀3种开度下1阶模态振型，3种开度1阶模态振型，如图11所示。由图11分析得到：3种开度最大变形处位于阀杆末端，最小变形位于调节阀入口处。且随着开度增大，第1阶模态的最大变形量在小范围内减小，这可以验证调节阀高开度可靠性高于低开度。