轴流式止回阀阀瓣瞬态关闭过程的动力学分析

轴流式止回阀属于一种自动阀门,是依靠介质的压差力和弹簧力的综合作用来实现启闭的,其主要的作用是防止介质倒流,防止泵及其驱动电机反转等[1]。轴流式止回阀广泛应用于大型炼油、乙烯、长输管道系统中压缩机和大型泵等工况较苛刻的管道系统。轴流式止回阀在停泵状态时,阀后管路中的水压会导致阀门突然关闭,此时阀瓣对阀座会产生巨大的冲击载荷,从而影响阀门的使用寿命,所以对轴流式止回阀停泵状态时瞬态关闭过程进行分析研究是很有必要的[2]。

随着CFD技术的飞速发展和动网格技术的不断完善,在阀门流场研究中更多的采用了动网格与UDF技术。Martin Turesson[3]利用Fluent软件和UDF编程对旋启式止回阀关闭过程进行动态模拟;Sibilla等[4]利用动网格技术对止回阀压力场与速度场进行了仿真,得到阀瓣的几何尺度、弹簧的参数等变量对轴流式止回阀的动态响应性能起着重要的作用;吴佳宝[5]以圆盘型轴流式止回阀为研究对象,进行流道和阀芯的流线型分析和结构优化,优化后的结构流阻系数显著减小;杨国来等[6]运用动网格技术较好地模拟轴流式止回阀内部压力和速度的动态变化;蔡毅卿[7]利用UDF及动网格技术很好的再现了轴流式止回阀在静水条件和停泵条件下的非稳态关闭过程。上述研究是针对动态过程中介质的压力和速度变化展开的,对于阀瓣的运动规律及冲击载荷仍需进一步研究。

研究利用CFD软件及UDF动网格技术,模拟分析停泵状态时阀门关闭过程中阀瓣的运动规律,运用瞬态动力学、显示动力学及理论推导,分析完全关闭瞬间阀瓣对阀座形成的冲击载荷,根据结果判定该阀门在实际应用中的稳定性及可靠性。

1 数值模型的建立

1.1 几何模型

轴流式止回阀三维装配体模型结构图如图1所示,主要由阀体、阀瓣、弹簧、导向套和导流罩组成,阀体进、出口直径均为252 mm,阀门总长度为622 mm。介质为水,正常工况时,介质从左侧流入,右侧流出;停泵工况时,介质倒流,介质从右侧流入,左侧流出。

图1 轴流式止回阀三维装配体结构
Fig.1 3D assembly structure diagram of axial flow check valve

运用CFD动网格模拟阀瓣向关闭方向运动,为了保持网格的连续性,在阀瓣与导流罩之间需要留有一定的间隙。在Gambit中选择三角形网格进行网格划分,节点数为18 325,网格数为36 656,对网格的质量和无关性进行了检查。全开时轴流式止回阀二维网格图如图2所示。

图2 轴流式止回阀二维简化模型网格
Fig.2 2-D simplified model grid diagram of axial flow check valve

1.2 数学模型

(1) 质量守恒方程 质量守恒方程可以描述为单位时间内流入控制体的质量等于控制体内质量随时间的变化量,质量守恒方程的积分式[8]为

其中:V为控制体;A为控制面。

根据奥高公式,连续性方程在直角坐标系下的微分形式为:

其中:ux,uy,uz分别为x,y,z方向的速度分量(m/s)。

(2) 动量方程 动量方程本质上遵循牛顿第二定律,动量方程[9]可表示为:

其中:fx、fy、fz分别为x、y、z方向上的单位质量力(m/s2)。

(3) 阀瓣动力方程 轴流式止回阀是依靠介质的压差力和弹簧力的共同作用实现启闭。当阀门处于正常工作状态时,阀瓣前的介质力始终大于阀瓣后的介质力和弹簧力。当离心泵突然停止工作时,阀瓣前的介质力减小,阀瓣后的介质力急速增大,介质倒流,阀瓣在此压差力作用下突然关闭来防止介质倒流。阀瓣受力图如图3所示。

图3 阀瓣受力示意图
Fig.3 Valve clack stress diagram

由质点运动微分方程得

其中:m为阀瓣质量;Fi为i时刻阀瓣一个质点所受的合力;F1为阀瓣前的介质压力;F2为阀瓣后的介质压力;Fs为弹簧力。

(4) 动网格计算模型及更新 各个时间步的网格更新是基于边界条件新的位置,由CFD自动来完成,时间步的运动情况是由当前时间步的计算结果确定的。组合使用弹性变形法和局部网格重构法更新变形区域内的动网格。

对于通量φ,在任一控制体V内,守恒方程通式[10]为

自左向右,第1项是动能项;第2项是对流项;第3项是扩散项;第4项是源项。

(5) 湍流模型 标准k-ε双方程模型,计算中压力与速度耦合项采用SIMPLE算法,在初次计算时k方程、ε方程及动量方程采用一阶迎风格式,二次精确计算时采用二阶迎风格式。在稳态结果收敛的基础之上进行动态模拟计算。

2 CFD仿真模拟及结果分析

2.1 设置边界条件

(1) 进口边界条件 轴流式止回阀进口端与离心泵相连接,泵的额定扬程为He=35 m,额定流量为Qe=0.236 5 m3/s,比转速为水泵的全特性曲线如图4所示。其中WH曲线表示压头和流量的关系,WB曲线表示转矩和流量的关系。

图4 泵的无量纲全特性曲线(NS=90,SI制)
Fig.4 Dimensionless total characteristic curve of pump
(NS=90,SI system)

根据泵的无量纲全特性曲线图得到阀门进口的压力(Pa)随时间变化的函数表达式为

(2) 设置动网格 根据质点运动微分方程,运用C语言编写Uers-defined Function(用户自定义函数),将此函数经过UDF接口导入到CFD中进行编译后进行瞬态计算。

(3) 其他边界条件 在CFD中进行初始条件设置时,出口为压力出口,数值为940 kPa,设置整个阀瓣为运动区域,与动网格驱动自定义函数相对应,线条均默认为wall(壁面)。

2.2 CFD仿真模拟结果分析

首先,在CFD中对二维模型进行稳态求解,利用动网格设置继而进行瞬态求解,得到轴流式止回阀不同关闭时间下的压力和速度分布。

(1) 压力变化规律 当t=0时,阀门处于完全开启状态,介质进口端压力明显大于出口端压力,进口端压力始终保持在940 kPa左右。当t>0时介质出口端压力随阀门关闭时间增加呈余弦减小变化趋势,且压力从左向右呈阶梯式减小,在阀座处出现局部低压区,但是没有引起介质的相变。随着关闭时间的进一步增加,介质进出口端压差增大,阀瓣向左运动的速度增大,直至t=0.046 7 s时,阀门完全关闭。轴流式止回阀不同关闭时间下内部压力云图如图5所示。

图5 轴流式止回阀不同关闭时间的阀内压力云图
Fig.5 Valve inner pressure cloud picture of axial flow check valve with different closing time

(2) 流速变化规律 图6所示的是轴流式止回阀不同关闭时间下的介质速度云图。由图6看出,当t=0时止回阀处于全开状态,介质开始反向流动,密封面处的流通面积最小,故介质最大流速与最小压力均出现在密封面区域。当t>0时介质处于自右向左流动状态,随着阀门关闭时间的进一步增大,阀门开度减小,阀瓣密封面处流速继续增加,导流罩内介质流速也增加,阀瓣左侧中心处涡流消失,形成一椭球状滞止区。在t=0.046 7 s时,止回阀完全关闭,切断逆向流动的介质,导流罩内介质流动速度缓慢,有少量介质依然逆向流过密封面。

图6 轴流式止回阀不同关闭时间的介质速度云图
Fig.6 Medium velocity cloud diagram of axial flow check valve with different closing time

2.3 止回阀阀瓣运动规律

阀瓣在不同关闭时间下的速度、加速度和由压差产生的力的变化示意图如图7～图9所示。

图7 阀瓣不同关闭时间下的速度曲线
Fig.7 Velocity chart of valve closing time

由图7～图9可看出,止回阀在关闭过程中,阀瓣运动速度处于变加速运动状态,在0～0.025 s关闭时间内,阀瓣速度呈直线增加,但直线斜率较小,在0.025 s时速度增加到v=1.25 m/s;阀瓣加速度近似为0.000 5 m/s2,阀瓣所受合力略有波动,但相对比较稳定;合力约为250 N。在0.025～0.046 7 s时间段内,阀瓣关闭速度呈抛物线形增加,最终在t=0.046 7 s完全关闭,瞬时速度最大值为v=3.624 m/s,图7中负号表示方向向左;阀瓣加速度呈抛物线形波动增加,最大值为0.004 92 m/s2;阀瓣所受合力也呈抛物线形振动增加,最大峰值为2 007.14 N,合力出现峰值力是因为在阀门关闭过程中介质压力不稳定,阀瓣在不断振动的同时进行变加速运动。

3 结论

(1) 利用动网格数技术数值模拟计算了轴流式止回阀在停泵后其阀瓣关闭过程的介质压力和流速变化,以及阀瓣的速度、加速的和力的变化。

(2) 当t=0时介质开始反向流动。当t>0时介质出口端压力随阀门关闭时间增加呈余弦减小变化趋势,局部低压区介质无相变。随着关闭时间的增加,进出口压差增大阀瓣向左运动的速度增大,直至t=0.046 7 s时阀门完全关闭。

(3) 在关闭过程中,阀瓣运动速度处于变加速运动状态。在0～0.025 s关闭时间内,阀瓣速度呈直线增加。在0.025～0.046 7 s时间段内,阀瓣关闭速度呈抛物线形增加,完全关闭的瞬时速度最大值为v=3.624 m/s。

图8 阀瓣不同关闭时间下的加速度曲线
Fig.8 Acceleration curve of valve closing time

图9 不同关闭时间下的阀瓣前后压差力变化曲线
Fig.9 Change curves of pressure difference before and after valve closing time

(4) 阀瓣加速度呈抛物线形波动增加,最大值为0.004 92 m/s2,所受合力呈抛物线形振动增加,最大峰值为2 007.14 N。