庫勤鋒，王炳坤

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.中石油慶陽石化公司，甘肅 慶陽 745115；3.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

設(shè)備與自控

不同溫度下高排逆止閥內(nèi)部流場的對比分析

庫勤鋒1，2，王炳坤3

（1.西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710065；2.中石油慶陽石化公司，甘肅 慶陽 745115；3.西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

在高溫狀態(tài)和常溫狀態(tài)兩種工況下，采用FLUENT軟件中可實(shí)現(xiàn)的k-?湍流模型進(jìn)行內(nèi)部流場模擬，得出高排逆止閥在閥瓣不同開度下所受到的壓力分布和閥門內(nèi)部的速度矢量圖以及漩渦強(qiáng)度圖。從這些圖中可以得出，閥門的壓力損失隨著閥門開度的增大而減小，常溫狀態(tài)下和高溫狀態(tài)下兩者的壓力場及速度矢量場分布沒有明顯差異，但是在漩渦強(qiáng)度上常溫狀態(tài)比高溫狀態(tài)要小。從圖中也可看出閥門在開啟時(shí)閥瓣受力較大，因此要注意在高排逆止閥搖桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)防止力矩過大而造成損壞。

高排逆止閥；流場；數(shù)值模擬；能量損失；常溫與高溫狀態(tài)

我國是一個(gè)主要以煤炭為一次性能源的國家，常規(guī)火電占電力裝機(jī)的70%以上。閥門作為火電機(jī)組的關(guān)鍵配套產(chǎn)品，是保證機(jī)組經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行的重要設(shè)備之一。逆止閥的特點(diǎn)是安裝快、造價(jià)低，一直被廣泛應(yīng)用于熱點(diǎn)回?zé)岢闅庀到y(tǒng)或其他系統(tǒng)的蒸汽、水等介質(zhì)管道上。由于閥門對流體的阻止作用以及閥瓣在不同開度下對流體產(chǎn)生的影響，必然會導(dǎo)致流場結(jié)構(gòu)發(fā)生變化以及產(chǎn)生復(fù)雜的渦系，從而導(dǎo)致各種損失，尤其是在閥門突然啟閉的過程中，流量劇烈變化，導(dǎo)致壓強(qiáng)等參數(shù)劇烈變化，這樣不但會加劇流動損失，而且會發(fā)生劇烈的震動與沖擊。這種震動和沖擊往往使閥體產(chǎn)生形變以及疲勞破壞，不僅影響閥門的控制和調(diào)節(jié)精度，甚至?xí)?dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)工作失靈。同時(shí)，渦系和流動沖擊也必然會產(chǎn)生噪音。

基于以上原因，需要對高排逆止閥的內(nèi)部流場進(jìn)行深入研究，減小流動阻力及震動，降低噪聲，解決閥門在小工況下閥瓣不能平穩(wěn)開啟并發(fā)生震顫的問題。考慮到該閥門必須在高溫情況下工作，因此對比分析了常溫（20℃）與高溫（375℃）兩種狀態(tài)下的內(nèi)部流場。

1 建模及相關(guān)設(shè)置

1.1 數(shù)值模擬研究對象

按照該高排逆止閥的工程，用SolidWorks建立流場分析用三維模型，閥門的通稱直徑為40（NPS）。為保證進(jìn)、出口流場的穩(wěn)定性，在計(jì)算過程中分別對逆止閥進(jìn)口添加長為5倍直徑的管道，出口處添加加長為10倍直徑的管道。

應(yīng)用網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT，采用四面體結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格數(shù)量為850萬。

1.2 相關(guān)設(shè)置

流場分析采用FLUENT軟件，計(jì)算中選擇湍流方程模型Realizable。

選取水蒸汽作為流動介質(zhì)，密度為5.307kg·m-3，動力黏度為26.59×10-6kg·s-1·m-1。假定介質(zhì)為黏性牛頓流體，不考慮重力影響，并且閥門與周圍環(huán)境沒有熱交換。閥門進(jìn)出口采用壓力邊界條件，通過調(diào)節(jié)出口壓力改變閥門流量。壁面采用無滑移邊界條件，即假定相對于固體壁面的流體切向分速度和法向分速度均為零。壓力速度的耦合采用SIMPLEC算法，各控制方程的離散采用二階迎風(fēng)格式。閥門在閥口各開度下的進(jìn)口壓力都是5.81MPa。管道進(jìn)口速度為33m·s-1。

2 高溫狀態(tài)（375℃）數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖1是閥門在不同閥口開度時(shí)內(nèi)表面的壓力分布圖。從圖1中可以看出，閥口的開啟程度越大，閥瓣兩側(cè)的壓差越小，也就是閥瓣所受到的力矩作用也就越小。

圖1 高溫時(shí)閥體內(nèi)表面壓力分布

圖2是閥門在不同開啟角度時(shí)軸面上的速度矢量分布情況。從圖2中可以看出，速度矢量線在閥腔內(nèi)的入口處是平行的，表明這時(shí)候流體的流動比較穩(wěn)定。當(dāng)流體進(jìn)入收縮段后，流速逐漸增高，當(dāng)流體流到閥瓣位置時(shí)，流體分成了幾個(gè)部分經(jīng)過閥瓣流出。中間區(qū)域的流體會直接沖擊閥瓣，閥瓣迎流面處的流速明顯下降，此時(shí)流體的質(zhì)點(diǎn)的流動方向發(fā)生變化，形成局部回流現(xiàn)象，加上后面繼續(xù)沖擊閥瓣的流體，兩者混合后再次流過閥瓣，最終都以繞流形式經(jīng)過閥瓣，導(dǎo)致流程延長，這就造成了能量損失，還有一部分流體繞流到閥瓣的側(cè)面和背面，最后直接進(jìn)入出口階段。從圖2中還可看出，隨著閥口開啟程度的增加，閥瓣背后的旋渦運(yùn)動區(qū)域減小，流動更加順暢，這也是閥口開啟程度越大阻力系數(shù)越小的原因。

由圖3所示的旋渦強(qiáng)度的分布圖可知，當(dāng)閥口的開啟程度增加時(shí)，整個(gè)流道內(nèi)的旋渦強(qiáng)度逐漸減小，能量損耗減小，這與圖2的流動顯示結(jié)果一致。

圖2 高溫時(shí)閥門軸面速度矢量

圖3 高溫時(shí)閥門軸面漩渦強(qiáng)度分布

3 常溫狀態(tài)（20℃）數(shù)值模擬結(jié)果分析

保持其他設(shè)置不變，設(shè)置溫度為20℃進(jìn)行分析，分析結(jié)果如下。圖4、圖5、圖6為溫度為20℃時(shí)的流場分布情況。與高溫狀態(tài)下的流場分布進(jìn)行對比可以看出，壓力場及速度矢量場分布沒有明顯的差異，而不同溫度狀態(tài)下的旋渦強(qiáng)度差異明顯，在低溫狀態(tài)下漩渦強(qiáng)度要明顯減小。

圖4 常溫時(shí)閥體內(nèi)表面壓力分布

圖5 常溫時(shí)閥門軸面速度矢量

圖6 常溫時(shí)閥門軸面漩渦強(qiáng)度分布

4 結(jié)論

1）由上述分析可知，此閥門開啟過程中流場穩(wěn)定，在全開狀態(tài)時(shí)能量損失較小，流阻較小，流通性能好。而且高溫對閥瓣兩側(cè)壓力分布及閥門內(nèi)部速度矢量的影響較小，對閥門內(nèi)部渦流的影響較大，因此高溫狀態(tài)下閥門的能量損失比常溫狀態(tài)下大，高溫狀態(tài)比低溫狀態(tài)更容易產(chǎn)生噪聲。

2）隨著閥門開啟程度的增加，閥瓣兩側(cè)的壓差逐漸減小，閥門的閥瓣所受到的力矩作用也就越小，閥門進(jìn)出口壓降亦隨之減少。

3）由于開啟時(shí)逆止閥閥瓣受力較大，閥門的搖桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，強(qiáng)度要足夠，避免由于力矩過大而破壞。

［1］ 徐興華，楊雪華，吳輝.超（超）臨界火電機(jī)組用高排逆止閥的研制［J］.通用機(jī)械，2014（1）：66-68.

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［9］ 袁新明，毛根海，張土喬.閥門流道流場的數(shù)值模擬及阻力特性研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2005（5）：60-66.

Comparative Analysis of Internal Flow Field of High Discharge Check Valve under Different Temperatures

KU Qin-feng1，2， WANG Bing-kun3
（1.College of Mechanical Engineering， Xi'an Shiyou University， Xi'an 710065， China； 2.Qingyang Petrochemical Company，CNPC， Qingyang 745115， China； 3.Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute， Xi'an 710089， China）

k-? Turbulence model in FLUENT software was used to simulate the internal flow field under two conditions of high temperature and normal temperature， and then the pressure distribution of high discharge check valve under different opening of the valve and the velocity vector and the vortex intensity map of the valve， was got.From these figures we could draw that the pressure loss of the valve decreased with the increase of the opening of valve， meantime， there was no significant distribution difference between the pressure field and velocity vector field under normal temperature and high temperature， but in the vortex strength normal temperature was smaller than the high temperature.It could be seen that the valve got more stress when the valve was opening.Therefore， attention should be paid to the design of the high discharge check valve rocker structure to prevent the damage caused by too much torque.

high discharge check valve； flow field； numerical simulation； energy loss； normal temperature state and high temperature state

TQ 055.8+1

A

1671-9905（2016）09-0056-03

2016-06-27