基于FLUENT的節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化
應(yīng)用三維建模軟件Pro/ENGINEER對(duì)節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了實(shí)體建模，抽取閥門(mén)內(nèi)部流道，采用前處理軟件ICEM-CFD劃分流道的計(jì)算網(wǎng)格。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)閥門(mén)流道進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得到節(jié)流管端面處的壓力分布，并通過(guò)二次計(jì)算得出閥門(mén)電機(jī)功率。在此基礎(chǔ)上，對(duì)閥門(mén)流道進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對(duì)比分析不同流道對(duì)應(yīng)的閥門(mén)電機(jī)功耗，得到了更為理想的節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)尺寸。
調(diào)節(jié)閥是流體輸送系統(tǒng)中重要的控制部件，廣泛應(yīng)用于核電領(lǐng)域。核動(dòng)力裝置對(duì)調(diào)節(jié)閥的性能要求都很高，不僅要確保調(diào)節(jié)品質(zhì)，還需要降低閥門(mén)功耗。節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥是哈爾濱工程大學(xué)研制的一種新型調(diào)節(jié)閥，用于流體輸送管道的流體壓力或流量的調(diào)節(jié)，特別適用于核動(dòng)力裝置各回路系統(tǒng)。它采用自身的高壓流體作為工質(zhì)，通過(guò)調(diào)整節(jié)流管端面與活塞中心處的軸向泄流孔端面之間的間隙來(lái)改變活塞兩側(cè)受控流體的壓差，進(jìn)而使與活塞聯(lián)動(dòng)的閥盤(pán)移動(dòng)并精確平衡在所要求的位置上。
近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的發(fā)展，數(shù)值模擬的優(yōu)越性越來(lái)越明顯，已經(jīng)開(kāi)始用于研究流體機(jī)械的內(nèi)部流動(dòng)。節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本文運(yùn)用CFD軟件FLUENT對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，并詳細(xì)研究了不同閥門(mén)結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場(chǎng)受力情況和閥門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)功耗。
1、節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及三維建模
本文應(yīng)用三維建模軟件Pro/ENGINEER建立流道模型。
1.1、建立流道模型
圖1是節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)圖。它由閥體、閥盤(pán)組件、活塞組件、節(jié)流管組件、雙面法蘭以及閥門(mén)外圍部件構(gòu)成，流體從右側(cè)流入，左側(cè)流出。閥門(mén)公稱通徑為DN80/100，設(shè)計(jì)壓力為4.2MPa，工作壓力為(2.15±0.10)MPa，減壓壓力不低于0.5MPa。
圖1 節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖
從圖1可以看出，節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流道比較復(fù)雜，若直接對(duì)流道進(jìn)行建模將面臨很大困難。本文首先建立閥門(mén)的實(shí)際模型，然后建立一個(gè)內(nèi)部無(wú)流道、但外部結(jié)構(gòu)尺寸和實(shí)際模型一樣的“實(shí)心體模型”，最后將兩者重合裝配為一個(gè)組件，對(duì)重合的閥門(mén)組件依次采取“編輯”、“元件操作”、“切除”操作，即得到閥門(mén)流道模型。為了減少計(jì)算量和節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，對(duì)節(jié)流管內(nèi)部上半部分的流道做簡(jiǎn)化處理，并采用流道的一半為計(jì)算區(qū)域，圖2為抽取出來(lái)的流道模型。
1.2、劃分計(jì)算網(wǎng)格
利用專業(yè)的前處理軟件ICEM-CFD對(duì)流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于流道復(fù)雜，采用的是非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。閥頭附近流體的速度與壓強(qiáng)的梯度很大，對(duì)此區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。流道網(wǎng)格劃分如圖3所示，節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為30%，網(wǎng)格數(shù)量為79萬(wàn)。
2、模擬計(jì)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化
本算例采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT對(duì)調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。
2.1、邊界設(shè)置
啟動(dòng)FLUENT，選用三維雙精度求解器，導(dǎo)入流道網(wǎng)格。采用三維穩(wěn)態(tài)隱性壓力基求解模型，湍流模型選用k-ε湍流模型;流體介質(zhì)采用水，作不可壓縮流體考慮，設(shè)置重力加速度為-9.8m/s2;湍流強(qiáng)度取3%，設(shè)置進(jìn)口面邊界為壓力進(jìn)口(2MPa)，入口水力直徑為0.08m，出口面邊界為壓力出口(1MPa)，出口水力直徑為0.1m;采用SIMPLE算法和一階迎風(fēng)離散格式，殘差精度設(shè)為10-5，并監(jiān)控出口面的流量變化。
2.2、節(jié)流管組件機(jī)械傳動(dòng)計(jì)算
節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行器機(jī)構(gòu)是一個(gè)小功率電機(jī)，其最大功率為25W，工作電壓220V，電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為15r/min。螺桿的螺紋是普通三角形螺紋，其公稱直徑為d=8mm，螺距為1.25mm，中徑為d2=7.188mm。
螺套管每分鐘向下運(yùn)動(dòng)L=15×1.25=18.75mm;
螺套管運(yùn)動(dòng)速度為：
; 螺桿和螺母的材料均為鋼，查得螺紋副的摩擦系數(shù)f=0.17;
螺紋當(dāng)量摩擦角ρ'，其正切值為：
螺紋升角ψ是螺旋線的切線與垂直于螺紋軸線的平面的夾角，其正切值為：
在螺桿和螺套管之間存在螺旋傳動(dòng)，該螺紋副的傳動(dòng)效率為：
假定電機(jī)的工作效率為100%，電機(jī)沿豎直軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)螺桿傳動(dòng)向下的作用力。電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，螺桿也轉(zhuǎn)動(dòng)一周，螺套管向下運(yùn)動(dòng)一個(gè)螺距的位移。設(shè)P為電機(jī)功率，P'為電機(jī)傳遞到的螺套管直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的功率，而考慮螺紋副的傳動(dòng)效率，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)化關(guān)系可以根據(jù)公稱直徑與螺距的關(guān)系(如圖4)得出：
(1) 
圖4 公稱直徑與螺距的三角關(guān)系
根據(jù)功率、速度與力的關(guān)系：
(2) 電機(jī)帶動(dòng)節(jié)流管向下勻速運(yùn)動(dòng)，由牛頓第二定律可知其作用力F'等于流體對(duì)節(jié)流管的壓力F，即
F'=F (3)
則電機(jī)消耗的功率P為：
(4) 其中：a≈0.0181m/s。
2.3、結(jié)構(gòu)優(yōu)化
通過(guò)上一小節(jié)的機(jī)械傳動(dòng)計(jì)算可知電機(jī)功率和節(jié)流管壓力成正比，本文就是從減少節(jié)流管所受壓力的角度對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的。通過(guò)觀察流道結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)減小閥體中的導(dǎo)氣孔直徑來(lái)減少閥門(mén)電機(jī)功耗(導(dǎo)氣孔結(jié)構(gòu)如圖2所示)。
節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥閥體中的導(dǎo)氣孔實(shí)際直徑為6mm，應(yīng)用Pro/E軟件改變節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥中導(dǎo)氣孔直徑，將直徑分別改為4、5、7、8mm，并抽取各流道模型 ，劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入到FLUENT里進(jìn)行數(shù)值模擬。表1為計(jì)算得出的節(jié)流管所受軸向壓力以及活塞的受力情況。
表1 改變閥體中導(dǎo)氣管直徑時(shí)節(jié)流管的受力
通過(guò)式(4)可計(jì)算出當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑為4、5、6、7、8mm時(shí)，所對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率分別為2.39、2.49、2.65、2.836、3.02W。
從圖5中可以看到，當(dāng)減小導(dǎo)氣孔直徑時(shí)，活塞上表面的壓力也隨之減小，活塞兩側(cè)流體的壓差也減小�；钊菐�(dòng)閥桿向下運(yùn)動(dòng)的主要?jiǎng)恿Γ暨^(guò)度減小導(dǎo)氣孔直徑，會(huì)影響到活塞的合力，進(jìn)而影響閥門(mén)開(kāi)啟。因此，適當(dāng)?shù)臏p小閥體中的導(dǎo)氣孔直徑，可有效節(jié)省閥門(mén)電機(jī)功耗。圖6為電機(jī)功率隨導(dǎo)氣孔直徑變化的曲線圖，從圖6中可以看到，改變調(diào)節(jié)閥閥體中的導(dǎo)氣孔直徑后，電機(jī)功率隨導(dǎo)氣孔直徑的變化很明顯。當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑大于閥門(mén)實(shí)際直徑時(shí)，電機(jī)功率隨著導(dǎo)氣孔直徑的增大而增大;當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑小于其實(shí)際直徑大小時(shí)，電機(jī)功率隨著直徑的減小而減小。
圖5 活塞兩側(cè)壓差隨導(dǎo)氣孔直徑變化的曲線圖
圖6 電機(jī)功率隨導(dǎo)氣孔直徑變化的曲線圖
3、結(jié)語(yǔ)
減小節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的導(dǎo)氣孔直徑可有效降低電機(jī)功耗。通過(guò)對(duì)不同導(dǎo)氣孔直徑的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬以及節(jié)流管內(nèi)部機(jī)械傳動(dòng)計(jì)算，得出流體對(duì)節(jié)流管端面處以及活塞兩側(cè)的壓力，求出閥門(mén)在不同導(dǎo)氣孔直徑大小時(shí)的電機(jī)功率。分析得知：導(dǎo)氣孔直徑減小時(shí)，電機(jī)功率減小;導(dǎo)氣孔直徑增大時(shí)，電機(jī)功率也隨之增大。
