梭式止回阀关闭时的流场特性研究*

1 引言

梭式止回阀是近几年来研发出来的一种具有我国自主知识产权的新型阀门，已应用于化工、石油天然气输送、煤矿、火电管道系统等领域。目前，对其研究主要停留在泄漏量试验、流阻系数试验和水锤压力测量阶段[1]。以ADINA 软件为平台，对梭式止回阀关闭过程中的流场进行数值模拟，验证了其在流固耦合方面的优越性。

2 梭式止回阀的结构特点和工作原理

液压阀的使用寿命主要与密封副表面的密封性能即泄漏与磨损有关[2]。研究的梭式止回阀阀瓣采用双重密封，除端面密封外，周向还有“O”型密封，克服了一般止回阀密封效果差的缺点[3]。梭式止回阀的结构简图，如图1 所示。可见其具有轴流对称，结构紧凑，双向密封，阀芯行程短，梭式流线型流道等结构特点。

图1 梭式止回阀的结构简图

其基本动作原理为：阀芯内部设置有预紧的弹簧，当介质由左端流入阀门时，克服弹簧的预紧力作用，阀芯向右移动，阀门打开；与旋启式止回阀相比，其阀瓣不是靠重力关闭，而是依靠弹簧的预紧力，因此，即使在阀的背压很低的情况下也能关闭严密。

3 模型建立与控制方程

3.1 几何建模

（1）梭式止回阀内部的流体运动是轴对称的；对于旋起式止回阀，可以取过轴线的竖直剖切面进行研究，采用2D 建模。

（2）考虑到AINDA 建模的复杂程度，采用CATIA 软件建立几何模型，然后通过IGES 通用数据接口将模型读入ADINA。

3.2 控制方程

流固耦合力学研究的是两相介质之间的相互作用[4]。模拟阀门的开启无论是阀芯的移动还是阀瓣的旋起，一定会影响流场的形态，因此采用双向流固耦合类型，流体和结构模型之间需要迭代求解，根据应力、位移或者两者的结合来检查迭代的收敛性。其相关控制方程如下：

式中：d—位移；τ—应力，为了防止在检查收敛时应力和位移值太小；ε0的值取为10-8；εd，ετ—位移和应力收敛的容许误差，考虑到迭代的收敛性，分别取其值为0.01，最大迭代次数取为200次。

3.3 定义模型控制参数

（1）假定阀门关闭压力为20MPa 且在关闭过程中保持不变；

（2）假定阀芯（阀瓣）匀速关闭，关闭时间为1s；

（3）采用无滑移边界条件，阀体内壁为wall，阀芯或阀瓣边界都设为FSI；

（4）流体材料设为不可压缩常参数模型，压力为115000Pa，流速为2m/s，密度为950kg/m，粘度为0.002Pa·s，体积模量为2.56×109；阀芯或阀瓣为各向同性线弹性材料，弹性模量（2×1011）Pa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3；

（5）阀芯位移为0.05m，阀瓣旋转角度为90°。

4 仿真结果对比分析

4.1 旋启式止回阀的仿真分析

（1）速度矢量图，如图2 所示。由图2 可知，阀瓣下端和上端局部区域流速较大，最大流速为157.4m/s；阀瓣下端流速方向分散，出现了一个漩涡，这是由于阀瓣旋转关闭时液体的回流产生的；阀瓣上端部分区域出现了流速空白，是由于流体冲击阀瓣引起液体沿阀瓣向下运动，与阀瓣下端回流的流体相撞，能量相互抵消，出现了局部流体静止现象；从整体上看，由于流速分布集中而不均匀，回流现象和漩涡使得速度矢量方向不一致，质点运动混乱，阀门中的流体呈湍流状态。

图2 速度矢量图

（2）压力云图，如图3 所示。由图3 可知，流场最大压力为（2.851×107）Pa，在节点2 处，最小压力位于节点466，为（-2.618×107）Pa；流场压力整体呈阶梯型分布，局部产生较大或较小的压力，特别是阀瓣下端两侧的压力变化尤为明显，出现了突变区域；阀瓣上端的压力大，下端压力小，受力不均衡，在关闭过程容易引起振动。

图3 压力云图

（3）速度曲线图，如图4 所示。由图4 可知，在刚关闭时，位于阀瓣前的节点1046 受到瞬时冲击，速度快速变为最大值，随着阀门的关闭，其速度以较大的斜率减小；节点348 由于受到阀瓣后端回流的影响，其速度变化较缓慢，在0.9s 时刻出现了一次幅度较大的突变；从整体上看，阀瓣前后两侧的流速变化情况不一致，后端流速变化范围较小，前端波动很大，在关闭过程中容易引起水击现象。

（4）压力曲线图，如图5 所示。由图5 可知，两节点压力曲线变化趋势复杂，波动曲折，在阀门刚关闭瞬间，流体冲击阀瓣，节点28 和41 的压力迅速变为最大值，之后开始减小，在0.45S-0.8S 时间段内，28 节点压力出现了两次突变，最终压力都趋于（2×107）Pa；由此曲线也可以得出，作用在阀瓣上的载荷变化情况也很复杂，容易引起阀瓣的振动；从整体上看，阀门在关闭过程中，压力变化不稳定，有突变产生，变化情况复杂。特殊节点，如图6 所示。

图4 速度曲线图

图5 压力曲线图

图6 特殊节点

4.2 梭式止回阀的仿真分析

（1）速度矢量图，如图7 所示。由图7 可知，流场流速对称分布，最大的流速为76.02m/s；阀芯上下两侧有两个小漩涡，由流速矢量方向可见，是由于阀芯的阻挡而引起的局部流体回旋现象，并非阀芯前面的流体回流产生的，因此对流场的影响较小；除了阀芯开口两侧的流速方向较倾斜外，整体流动方向一致，无流速空白区域，质点运动规则，流速分布均匀，因此流动状态以层流为主。

图7 速度矢量图

（2）压力云图，如图8 所示。由图8 可知，流场压力呈轴对称形式分布，从右到左整体上呈阶梯型递减趋势；最大压力为2.005×107Pa，在节点176 处，最小压力在节点249 处，为103.6 Pa；阀芯周围的压力分布对称，这样其周围的载荷也对称分布，阀芯受力均衡，在关闭过程中，移动将会比较平稳。

图8 压力云图

（3）速度曲线图，如图9 所示。由图9 可知，在关闭瞬间，节点1630 和1560 受到冲击，其速度迅速增大，随着阀芯的移动，流速平稳地增大，在0.9s 时刻，阀门即将关闭时，出现了一个小幅度的波动，之后逐渐减小；从整体上看，阀芯前后节点的速度变化趋势一致且较平稳，阀内流场的流动状态较稳定，这样在关闭过程中，将会有效地减小管道的振动、发热、气蚀和水击等现象。

图9 速度曲线图

图10 压力曲线图

（4）压力曲线图，如图10 所示。由图10 可知，阀门刚关闭瞬间，阀芯受到冲击，节点31 和15 的压力迅速变为最大值，之后，逐渐稳定的趋于（2×107）Pa；在整体上看，流场的压力变化比较平稳，这样作用于阀芯上的载荷变化也较平稳，在关闭过程中将会有效地较小阀芯的振动幅度，提高阀门的使用寿命。特殊节点，如图11 所示。

图11 特殊节点

4.3 综合分析

（1）旋启式止回阀在关闭过程中，其阀瓣受力不平衡，将会引起整个管道系统的振动，降低阀门的使用寿命；流场的湍流状态，流速变化较大且较快，流场压力不稳定，这些使阀门在关闭过程中容易引起水击，不利于管路运输的安全性。

（2）与旋启式止回阀相比，梭式止回阀的轴流对称结构，使阀芯受力均衡，两侧流体主要呈层流状态，流速分布均匀，流场压力稳定，这些保证了阀芯的平稳移动，可以有效地减少了振动、发热、气蚀和水击等现象，维持了管道运输的稳定性和安全性，同时也提高了阀门的使用寿命。

5 结论

对阀体内的流场进行可视化研究，可以清楚地观察到流场的变化情况。这里分别对梭式止回阀和旋启式止回阀进行流固耦合仿真计算，通过对比分析，验证了在相同的初始条件下，与旋启式止回阀相比，梭式止回阀在关闭过程中具有流速分布均匀，压力分布对称，流动状态稳定，阀芯受力均衡等优势，为其性能研究和结构优化提供了一定的数据依据，有利于梭式阀的研究和推广。