梭式核級(jí)閥關(guān)閉時(shí)流場(chǎng)特性的數(shù)值仿真

梭式核級(jí)閥關(guān)閉時(shí)流場(chǎng)特性的數(shù)值仿真

1化工、天然氣輸送和焦?fàn)t沖突研究近年來(lái)，采用了一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新開(kāi)口，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了化工、石油天然氣傳輸、采礦、熱能管道系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,對(duì)其研究主要停留在泄漏量試驗(yàn)、流阻系數(shù)試驗(yàn)和水錘壓力測(cè)量階段。以ADINA軟件為平臺(tái),對(duì)梭式止回閥關(guān)閉過(guò)程中的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬,驗(yàn)證了其在流固耦合方面的優(yōu)越性。2梭式斷閥閥采用密封機(jī)構(gòu)來(lái)密封具有振動(dòng)的特點(diǎn),這對(duì)密封原理的設(shè)計(jì)液壓閥的使用壽命主要與密封副表面的密封性能即泄漏與磨損有關(guān)。研究的梭式止回閥閥瓣采用雙重密封,除端面密封外,周向還有“O”型密封,克服了一般止回閥密封效果差的缺點(diǎn)。梭式止回閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,如圖1所示?？梢?jiàn)其具有軸流對(duì)稱(chēng),結(jié)構(gòu)緊湊,雙向密封,閥芯行程短,梭式流線型流道等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。其基本動(dòng)作原理為:閥芯內(nèi)部設(shè)置有預(yù)緊的彈簧,當(dāng)介質(zhì)由左端流入閥門(mén)時(shí),克服彈簧的預(yù)緊力作用,閥芯向右移動(dòng),閥門(mén)打開(kāi);與旋啟式止回閥相比,其閥瓣不是靠重力關(guān)閉,而是依靠彈簧的預(yù)緊力,因此,即使在閥的背壓很低的情況下也能關(guān)閉嚴(yán)密。3建立和控制模型3.1閥的設(shè)計(jì)模型(1)梭式止回閥內(nèi)部的流體運(yùn)動(dòng)是軸對(duì)稱(chēng)的;對(duì)于旋起式止回閥,可以取過(guò)軸線的豎直剖切面進(jìn)行研究,采用2D建模。(2)考慮到AINDA建模的復(fù)雜程度,采用CATIA軟件建立幾何模型,然后通過(guò)IGES通用數(shù)據(jù)接口將模型讀入ADINA。3.2結(jié)構(gòu)模型迭代求解流固耦合力學(xué)研究的是兩相介質(zhì)之間的相互作用。模擬閥門(mén)的開(kāi)啟無(wú)論是閥芯的移動(dòng)還是閥瓣的旋起,一定會(huì)影響流場(chǎng)的形態(tài),因此采用雙向流固耦合類(lèi)型,流體和結(jié)構(gòu)模型之間需要迭代求解,根據(jù)應(yīng)力、位移或者兩者的結(jié)合來(lái)檢查迭代的收斂性。其相關(guān)控制方程如下:式中:d—位移;τ—應(yīng)力,為了防止在檢查收斂時(shí)應(yīng)力和位移值太小;ε0的值取為10-8;εd,ετ—位移和應(yīng)力收斂的容許誤差,考慮到迭代的收斂性,分別取其值為0.01,最大迭代次數(shù)取為200次。3.3材料和結(jié)構(gòu)模型(1)假定閥門(mén)關(guān)閉壓力為20MPa且在關(guān)閉過(guò)程中保持不變;(3)采用無(wú)滑移邊界條件,閥體內(nèi)壁為wall,閥芯或閥瓣邊界都設(shè)為FSI;(4)流體材料設(shè)為不可壓縮常參數(shù)模型,壓力為115000Pa,流速為2m/s,密度為950kg/m,粘度為0.002Pa·s,體積模量為2.56×109;閥芯或閥瓣為各向同性線彈性材料,彈性模量(2×1011)Pa,泊松比為0.3,密度為7800kg/m3;(5)閥芯位移為0.05m,閥瓣旋轉(zhuǎn)角度為90°。4比較模型結(jié)果的分析4.1流場(chǎng)結(jié)果分析(1)速度矢量圖,如圖2所示。由圖2可知,閥瓣下端和上端局部區(qū)域流速較大,最大流速為157.4m/s;閥瓣下端流速方向分散,出現(xiàn)了一個(gè)漩渦,這是由于閥瓣旋轉(zhuǎn)關(guān)閉時(shí)液體的回流產(chǎn)生的;閥瓣上端部分區(qū)域出現(xiàn)了流速空白,是由于流體沖擊閥瓣引起液體沿閥瓣向下運(yùn)動(dòng),與閥瓣下端回流的流體相撞,能量相互抵消,出現(xiàn)了局部流體靜止現(xiàn)象;從整體上看,由于流速分布集中而不均勻,回流現(xiàn)象和漩渦使得速度矢量方向不一致,質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)混亂,閥門(mén)中的流體呈湍流狀態(tài)。(2)壓力云圖,如圖3所示。由圖3可知,流場(chǎng)最大壓力為(2.851×107)Pa,在節(jié)點(diǎn)2處,最小壓力位于節(jié)點(diǎn)466,為(-2.618×107)Pa;流場(chǎng)壓力整體呈階梯型分布,局部產(chǎn)生較大或較小的壓力,特別是閥瓣下端兩側(cè)的壓力變化尤為明顯,出現(xiàn)了突變區(qū)域;閥瓣上端的壓力大,下端壓力小,受力不均衡,在關(guān)閉過(guò)程容易引起振動(dòng)。(3)速度曲線圖,如圖4所示。由圖4可知,在剛關(guān)閉時(shí),位于閥瓣前的節(jié)點(diǎn)1046受到瞬時(shí)沖擊,速度快速變?yōu)樽畲笾?隨著閥門(mén)的關(guān)閉,其速度以較大的斜率減小;節(jié)點(diǎn)348由于受到閥瓣后端回流的影響,其速度變化較緩慢,在0.9s時(shí)刻出現(xiàn)了一次幅度較大的突變;從整體上看,閥瓣前后兩側(cè)的流速變化情況不一致,后端流速變化范圍較小,前端波動(dòng)很大,在關(guān)閉過(guò)程中容易引起水擊現(xiàn)象。(4)壓力曲線圖,如圖5所示。由圖5可知,兩節(jié)點(diǎn)壓力曲線變化趨勢(shì)復(fù)雜,波動(dòng)曲折,在閥門(mén)剛關(guān)閉瞬間,流體沖擊閥瓣,節(jié)點(diǎn)28和41的壓力迅速變?yōu)樽畲笾?之后開(kāi)始減小,在0.45S-0.8S時(shí)間段內(nèi),28節(jié)點(diǎn)壓力出現(xiàn)了兩次突變,最終壓力都趨于(2×107)Pa;由此曲線也可以得出,作用在閥瓣上的載荷變化情況也很復(fù)雜,容易引起閥瓣的振動(dòng);從整體上看,閥門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中,壓力變化不穩(wěn)定,有突變產(chǎn)生,變化情況復(fù)雜。特殊節(jié)點(diǎn),如圖6所示。4.2閥內(nèi)流場(chǎng)分布(1)速度矢量圖,如圖7所示。由圖7可知,流場(chǎng)流速對(duì)稱(chēng)分布,最大的流速為76.02m/s;閥芯上下兩側(cè)有兩個(gè)小漩渦,由流速矢量方向可見(jiàn),是由于閥芯的阻擋而引起的局部流體回旋現(xiàn)象,并非閥芯前面的流體回流產(chǎn)生的,因此對(duì)流場(chǎng)的影響較小;除了閥芯開(kāi)口兩側(cè)的流速方向較傾斜外,整體流動(dòng)方向一致,無(wú)流速空白區(qū)域,質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)則,流速分布均勻,因此流動(dòng)狀態(tài)以層流為主。(2)壓力云圖,如圖8所示。由圖8可知,流場(chǎng)壓力呈軸對(duì)稱(chēng)形式分布,從右到左整體上呈階梯型遞減趨勢(shì);最大壓力為2.005×107Pa,在節(jié)點(diǎn)176處,最小壓力在節(jié)點(diǎn)249處,為103.6Pa;閥芯周?chē)膲毫Ψ植紝?duì)稱(chēng),這樣其周?chē)妮d荷也對(duì)稱(chēng)分布,閥芯受力均衡,在關(guān)閉過(guò)程中,移動(dòng)將會(huì)比較平穩(wěn)。(3)速度曲線圖,如圖9所示。由圖9可知,在關(guān)閉瞬間,節(jié)點(diǎn)1630和1560受到?jīng)_擊,其速度迅速增大,隨著閥芯的移動(dòng),流速平穩(wěn)地增大,在0.9s時(shí)刻,閥門(mén)即將關(guān)閉時(shí),出現(xiàn)了一個(gè)小幅度的波動(dòng),之后逐漸減小;從整體上看,閥芯前后節(jié)點(diǎn)的速度變化趨勢(shì)一致且較平穩(wěn),閥內(nèi)流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)較穩(wěn)定,這樣在關(guān)閉過(guò)程中,將會(huì)有效地減小管道的振動(dòng)、發(fā)熱、氣蝕和水擊等現(xiàn)象。(4)壓力曲線圖,如圖10所示。由圖10可知,閥門(mén)剛關(guān)閉瞬間,閥芯受到?jīng)_擊,節(jié)點(diǎn)31和15的壓力迅速變?yōu)樽畲笾?之后,逐漸穩(wěn)定的趨于(2×107)Pa;在整體上看,流場(chǎng)的壓力變化比較平穩(wěn),這樣作用于閥芯上的載荷變化也較平穩(wěn),在關(guān)閉過(guò)程中將會(huì)有效地較小閥芯的振動(dòng)幅度,提高閥門(mén)的使用壽命。特殊節(jié)點(diǎn),如圖11所示。4.3流場(chǎng)壓力無(wú)穩(wěn)定(1)旋啟式止回閥在關(guān)閉過(guò)程中,其閥瓣受力不平衡,將會(huì)引起整個(gè)管道系統(tǒng)的振動(dòng),降低閥門(mén)的使用壽命;流場(chǎng)的湍流狀態(tài),流速變化較大且較快,流場(chǎng)壓力不穩(wěn)定,這些使閥門(mén)在關(guān)閉過(guò)程中容易引起水擊,不利于管路運(yùn)輸?shù)陌踩浴?2)與旋啟式止回閥相比,梭式止回閥的軸流對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),使閥芯受力均衡,兩側(cè)流體主要呈層流狀態(tài),流速分布均勻,流場(chǎng)壓力穩(wěn)定,這些保證了閥芯的平穩(wěn)移動(dòng),可以有效地減少了振動(dòng)、發(fā)熱、氣蝕和水擊等現(xiàn)象,維持了管道運(yùn)輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性,同時(shí)也提高了閥門(mén)的使用壽命。5流固耦合仿真計(jì)算對(duì)閥體內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行可視化研究,可以清楚地觀察到流場(chǎng)的變化情況。這里分別對(duì)梭式止回閥和旋啟式