倪紅英 孫強(qiáng) 蘇舒

【摘要】本文基于迷宮式調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)研發(fā)，簡(jiǎn)單闡述了CAE、CFD技術(shù)推進(jìn)設(shè)計(jì)研發(fā)的作用。從有限元分析的一般方法出發(fā)，結(jié)合迷宮式調(diào)節(jié)閥的節(jié)流降壓特點(diǎn)，具體介紹了流場(chǎng)模擬、應(yīng)力應(yīng)變模擬、流固耦合模擬在閥門設(shè)計(jì)研發(fā)中的應(yīng)用。本文提出的有限元應(yīng)用方法可以指導(dǎo)一般閥門的設(shè)計(jì)研發(fā)。

【關(guān)鍵詞】調(diào)節(jié)閥；迷宮芯包；CAE；CFD；流固耦合

1、前言

當(dāng)前，在國內(nèi)能源供求形式日益緊張的大環(huán)境下，超超臨界機(jī)組在降低煤耗、提高發(fā)電效率、環(huán)境保護(hù)上，是最現(xiàn)實(shí)、有效、可行的選擇。

上海電力修造總廠有限公司進(jìn)行超超臨界機(jī)組閥門新技術(shù)、新產(chǎn)品新工藝的開發(fā)研制，有效地解決了傳統(tǒng)閥門普遍存在的氣蝕、噪音、振動(dòng)、泄漏、卡澀等問題。閥門在電站主機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)過程中要承受很大的沖擊，其優(yōu)劣直接影響到閥門的壽命。閥門的流通性能和受力狀況是由幾何形狀來決定，合理的幾何結(jié)構(gòu)布置一般都要通過無數(shù)的實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。由于實(shí)驗(yàn)費(fèi)用高，周期長，形成一個(gè)成熟的產(chǎn)品需要很大的投入以及很長的時(shí)間。計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展使得用數(shù)值模擬的方法來預(yù)測(cè)閥門的性能以及指導(dǎo)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)成為可能。通過數(shù)值模擬方法量化閥門內(nèi)流體的流動(dòng)參數(shù)、閥體閥桿的應(yīng)力應(yīng)變，結(jié)合流固耦合理論分析流體和固體的相互影響可以很好指導(dǎo)閥門的設(shè)計(jì)研發(fā)。

2、數(shù)值模擬

2.1建立幾何模型

以三維造型軟件UGS NX7.0平臺(tái)建立閥門幾何模型，迷宮式調(diào)節(jié)閥具有特殊的迷宮式芯包結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

2.2分析條件

三維流體流動(dòng)模擬的分析條件包括以下幾點(diǎn)：1）流場(chǎng)的邊界條件如：進(jìn)出口流速、壓差等。2）流動(dòng)介質(zhì)的物理屬性如：密度、溫度等。3）分析采用的湍流模型等等。結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析包括零部件的接觸、載荷等。

2.3網(wǎng)格劃分

對(duì)于復(fù)雜的閥桿，閥體結(jié)構(gòu)模型，本文先利用ANSYS的全自動(dòng)網(wǎng)格劃分技術(shù)無需任何人工干預(yù)的形成網(wǎng)格模型，即采用高度自動(dòng)化、高穩(wěn)定性的四面體網(wǎng)格劃分算法，然后再根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)感興趣的區(qū)域利用高級(jí)控制技術(shù)形成更精細(xì)的網(wǎng)格，進(jìn)行再次求解以獲得最終的精確結(jié)果。為了縮小解題規(guī)模，提高計(jì)算速度，模型中去除了部分圓角及倒角。對(duì)于閥桿網(wǎng)格單元尺度為3mm。

3、CAE、CFD技術(shù)在閥門設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1閥門內(nèi)流場(chǎng)模擬

對(duì)于一般的閥門，當(dāng)液體流過閥芯的收縮截面段時(shí)，速度增加壓力減小。所產(chǎn)生的氣蝕現(xiàn)象會(huì)很快侵蝕內(nèi)件，造成破壞。迷宮式芯包的轉(zhuǎn)角彎道結(jié)構(gòu)可以將流體平穩(wěn)降壓，如圖2所示，流體流經(jīng)迷宮盤片的過程中壓力下降平穩(wěn)且流體壓力始終保持在飽和蒸汽壓Pv之上，從而消除了氣蝕現(xiàn)象。本文以ANSYS12.0為數(shù)值計(jì)算平臺(tái)，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算模擬出流體流經(jīng)迷宮盤片的節(jié)流降壓狀態(tài)。如圖2所示數(shù)值模擬的結(jié)果驗(yàn)證了迷宮盤片芯包消除氣蝕的效果。

在閥門全開的狀態(tài)下，對(duì)閥門內(nèi)流體進(jìn)行模擬可以更直觀的分析流體的流動(dòng)情況。迷宮式調(diào)節(jié)閥的迷宮片芯包結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在模擬閥門內(nèi)流場(chǎng)的過程中將芯包結(jié)構(gòu)設(shè)置成多孔介質(zhì)。整個(gè)流場(chǎng)的網(wǎng)格通過計(jì)算得到如圖4所示的流場(chǎng)壓力云圖。

3.2閥體和閥桿應(yīng)力應(yīng)變模擬

超超臨界機(jī)組的電站閥門的運(yùn)行工況時(shí)常是高溫高壓，因此閥體、閥桿的應(yīng)力應(yīng)變分析顯得尤為重要。對(duì)閥桿和閥體施加相應(yīng)的約束和載荷，計(jì)算得到如圖6、7所示的應(yīng)力云圖。

3.3閥門流固耦合分析

流體與結(jié)構(gòu)的流固耦合響應(yīng)對(duì)于研究閥門流動(dòng)有重要的作用。流體在流動(dòng)過程中產(chǎn)生的壓力變化會(huì)改變固體結(jié)構(gòu)的受力情況，從而使固體邊界出現(xiàn)變形；流體流動(dòng)邊界的變化又會(huì)改變其流動(dòng)狀態(tài)。圖7、8分別是閥門關(guān)閉狀態(tài)下的等效應(yīng)力圖和閥門開啟狀態(tài)下受到流體作用的等效應(yīng)力圖。

4、結(jié)論

本文通過應(yīng)用大型通用有限元軟件ANSYS，對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥閥門內(nèi)流場(chǎng)、閥桿應(yīng)力應(yīng)變及流固耦合進(jìn)行了模擬。對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥在工作過程中能否平穩(wěn)可靠運(yùn)行，有著至關(guān)重要的影響。綜上所述，應(yīng)用有限元分析手段ANSYS，可以方便準(zhǔn)確地得到迷宮式調(diào)節(jié)閥主要承載部件在工作狀態(tài)下的流場(chǎng)及應(yīng)力應(yīng)變情況，為承載部件的強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核，提供了一個(gè)方便可靠且直觀的計(jì)算手段，同時(shí)為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]王乃井.汽輪機(jī)信息[z].哈汽技術(shù)管理處編輯部，2007（1）：1～2.

[2]費(fèi)祥麟，胡慶康，景思睿.高等流體力學(xué)[M].西安交通大學(xué)出版社，1989年9月.

[3]賈汝民，張偉政.調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)CFD數(shù)值模擬與流道優(yōu)化[J].化工機(jī)械，2008.36（2）