锥阀流场的数值模拟与结构优化

    锥阀具有密封性能好、过流能力强、响应快、抗污染能力强等特点，已经获得了广泛的应用。流体在锥阀中的实际流动情况是十分复杂的，同时对锥阀的各种性能都会产生重大影响，其中包括能量利用率、作用于阀芯上的动力、流体的噪声等。所以，运用数值模拟方法对锥阀内部流场进行解析和了解锥阀内部流场的特性就显得相当重要了。    

    1 模型建立

    1.1 几何模型

    外流式锥阀主要是由阀座和阀芯组成。尺寸为：d=10mm，d₁=d₂=100mm，d₃=15mm，d₅=30mm，d₆=30mm，α=45°，k为开度（见图1）。

图1 外流式锥阀的结构简图

    对此模型的相关假设如下：    

    （1）流体为不可压缩流体，即，ρ为流体密度；

    （2）假定锥阀阀芯与阀套配合精确，没有径向间歇，无泄漏；

    （3）不考虑流体质量力的影响；

    （4）假定系统内部流体无热传导现象；

    （5）壁面处无滑移，即固定壁面处速度为零；

    （6）流k-ε动状态为湍流，采用标准湍流模型。

    1.2 数学模型基本计算公式如下：

    湍流基本方程：

        （1）

    湍动能k：

        （2）

        （3）

    湍流耗散率ε：

        （4）

    流量系数c_d：

        （5）

    式中：A（k）—阀口的过流面积；

    Q—流量；    

    ρ—流体密度；

    Δp—进出口的压力差；

    k—阀口开度；

    α—锥阀的半锥角；

    d—阀入口处直径。

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    2 计算网格与边界条件     

    2.1 计算网格

    在PHOENICS的VR编辑器中建立计算的模型，选择柱坐标系，点击Menu（主菜单）中的Geome-try按钮，在GridMeshSettings对话框中设置流场区域尺寸与网格分布，X方向设置为0.5，Y方向设置为0.035m，Z方向设置为0.2m。X方向的网格设置为1，Y方向的网格设置为80，Z方向的网格设置为200，网格节点为1600个。计算次数设置为40000次，经过反复试算，松弛因子为0.5时，收敛效果最佳（见图2）。

图2 计算网格示意图

    2.2 边界条件

    基于流动的复杂性，我们对模拟流场进行了简化设置：此流场采用柱坐标系，X方向表示弧度，Y方向表示锥阀的轴向，Z方向分别表示锥阀的径向；流场内的流体为牛顿流体、流态为湍流，其中流体设为1atm下0℃的水。进、出口边界设为速度入口和压力出口，出口压力设为0。

    3 模拟结果和改善

    3.1 不同进口速度仿真结果

    为了说明在阀口开度相同时，流量变化对外流式锥阀内部流场的影响。本文模拟了流量为20L/min时阀内流场情况，X轴表示距入口距离用L，Y轴表示压力的变化值，用P表示（见图3，4）。

图3 流量为20L/min的速度矢量图

图4 流量为20L/min的速度等值图

图5 开度为5mm速度矢量图

    3.2 不同阀口开度的模拟结果

    为了了解开度对外流式锥阀内部流场的影响，本文模拟了进口速度相同即流量相40L/min时，锥阀开度5mm时的阀内流场情况（见图5，图6）。

图6 开度为5mm速度等值图

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    3.3 外流式锥阀的结构优化

    从理论分析可知，漩涡的存在是各种阀类能量损失和噪音主要原因之一。从分析模拟计算结果来看，在外流式锥阀流道内形成了两个主要的漩涡，它们对外流式锥阀的能量损失和噪音产生起到到很大的作用。

    为了减小漩涡一，可以改变外流式锥阀的阀座结构，即改变K的大小；

    为了消除漩涡二，可以改变锥阀阀芯的结构，消除漩涡的存在区域，即改变d大小。

图7 开度、流量与流量系数的关系图

    3.4  流量系数的计算

    流量系数值是指单位时间内、在测试条件中管道保持恒定的压力，管道介质流经阀门的体积流量，或是质量流量，即阀门的最大流通能力。阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数值大，说明阀门的流通能力大，流体流过阀门时的压力损失小（见图7，图8）。

图8 优化前后的流量系数对比图

    如图7所示，流量一定时，随着阀口的开度增加，流量系数减少；当开度一定时，流量越大，流量系数越大。当开度增加到一定值时，随着开度的增加，压力变化不再明显，流量系数趋于平稳。阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数值大，阀门的流通能力大，流体流过阀门时的压力损失小。而图8中显示在相同的条件下，优化后的流量系数比优化前的流量系数大。优化后的锥阀的流通能力大，压力损失小，所以锥阀的优化方案是可行的。

    4 结论

    （1）利用PHOENICS软件对外流式锥阀的内部流场进行了数值模拟，分析了开度、流量变化对锥阀流动特性的影响。可知：流体在通过锥阀节流口处时，流速增加，压力减小；在阀芯和阀座的拐角处产生了漩涡，能量损失与漩涡的区域的强度、大小和过流断面的面积有关；在流量一定时，阀的开度增加，漩涡强度加大，噪音和能量损失增加；在开度一定时，流量增加，压差加大，漩涡区域越明显。

    （2）根据对模拟结果的分析，提出了锥阀的一种优化结构，即消除锥阀阀芯结构上的凹角、将阀座拐角处由直角转变为倒角，并对其进行CFD解析，验证了锥阀优化方向的可行性。

    （3）计算了锥阀在不同流量不同开度下的流量系数，得到了流量系数和开度、流量之间的关系：在其他条件不变时，流量越大流量系数越大，即阀的流通能力越大；在其他条件不变时，流量系数随着开启度的增减而减小，当开启度增加到一定值时，流量系数趋于平稳。

    （4）计算了锥阀优化前后的流量系数，结果表明：在相同条件下，优化后的锥阀流量系数比优化前的流量系数大，即优化后的锥阀流通能力大，压力损失小。