基于CFD方法的可调式单向阀设计与流量分析_季学文.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER基于CFD方法的可调式单向阀设计与流量分析季学文（中国石油辽河油田公司 沈阳采油厂，沈阳 110316）0引言单向阀是液压控制系统的关键部件。由于插装式单向阀的设计方法允许根据需求差异设计外壳，使其逐渐流行。目前，流道和用于在外壳内安装插件的底座可以通过铸造或机械加工钻孔获得。铸铁外壳主要用于大规模生产，其优点包括单位成本相对较低，铸造可以获得几何形状更好的流道，使得流动阻力相对较低。但在小批量生产中没有成本优势。因此，在小批量和单件生产中通常采用钢制外壳，其拥有更好的强度参数，也可在更高的压力下运行。在这种情况下，流道通过钻孔或铣削加工制成。采用这种加工方法，难以获得与铸造外壳相近的复杂几何形状的流道。而使用CFD方法进行模拟的测试结果显示，可以通过修改钢外壳内流道的几何形状来改善阀门的流动特性。目前的研究中，单向阀流量分析主要涉及CFD流动建模和通过优化减少流动损失的问题。Pauly1指出，单向阀在超过30%的液压系统中引起严重的压力损失，并且建议多关注这类阀门的参数和定位。Gomez等2通过CFD动态模拟对提升阀行为进行了分析，报告了通过改变流体黏度来增强动态特性的可能性。此外，Jin等3研究了连续调节的凸轮驱动阀门开度，Ye等4获得了氢气系统中高压单向阀的瞬态流动特性，Qian等5分析了单向阀的动态流动特性。目前，数值流量分析涉及广泛的阀门类型，可用于不同操作条件下的不同流体。Scuro等6使用ANSYS-CFX软件对泄压阀的三维模型进行了研究。Lin等7对特定流体（如液化天然气）通过低温阀的问题进行了建模。而目前对单向阀的研究主要与CFD分析有关，它可以与动态网格建模技术、使用FSI技术的液体与管壁的相互作用或高级网格细化相结合。本文讨论了对可调节单向阀现有设计的改进。该阀门可以通过直接作用在阀芯上的压力克服弹力实现单向流动，而相反方向的流动由施加到导向活塞的液压控制信号打开。1可调式单向阀的工作原理可调节单向阀中包含一个专为插装式安装而设计的标准插件，其横截面如图1所示。它由套筒形外壳1和阀芯3组成。外壳用堵塞2封闭，堵塞2同时构成弹簧4的张紧器。弹簧的运动由导杆5辅助。密封圈6、7保证密封性并确保插件可以安装在阀体中。插件的最大工作压力pmax=35MPa，标称流量Qnom=60 dm3/min。当超过标称流量时，压力损失显着增加。对阀门几何结构进行改进后，最大流量Qmax=160 dm3/min。阀体内装有插装式插件的完整可调式单向阀如图2所示。该阀由阀体1、插装阀2、先导活塞3和盖板4组成。A、B、X为连接口。阀体为钢块形式，所有必要的孔和流道均摘要：为了提升现有可调式单向阀的流动特性并减少压力损失，在阀体内部（即插装阀和连接板之间）适当地塑造、布置了孔和流道。通过与通道主轴成一定角度进行额外钻孔的方法，改进了流道的几何形状，并用CFD模拟计算了标准阀体和改进后新方案的流速和压力损失，将钻孔角度从90改进为78，将流量系数确定为0.300.59。结果表明，改进后的II型比I型压力损失降低了30%40%，AB方向的最大流体流速降低约30%，文中提出的改进方案可有效减少压力损失。关键词：CFD分析;可调单向阀;压力损失;阀芯设计;CAD设计中图分类号:TE 937文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08014104Design and Flow Analysis of an Adjustable Check Valve Based on CFD MethodJI Xuewen(ShenyangOil Production Plant,Liaohe Oil Field Branch,China Petroleumand Natural Gas Co.,Ltd.,Shenyang110316,China)Abstract:In order to enhance the flow characteristics and reduce the pressure loss of the existing adjustable check valve,holes and flow channels are properly shaped and arranged inside the valve body(i.e.,between the cartridge valve and theconnecting plate).The geometry of the flow paths is improved by drilling additional holes at an angle to the main axis ofthe channel,and CFD simulations are used to calculate the flow rates and pressure losses for the standard valve body andthe new modified scheme.The drilling angle is improved from 90 to 78,and the flow coefficient is determined to be0.300.59.The results show that the improved Type II reduces the pressure loss by 30%40%compared with Type I,andthe maximum fluid flow rate in the AB direction is reduced by about 30%,and the improved scheme proposed in thepaper can effectively reduce the pressure loss.Keywords:CFD analysis;adjustable check valve;pressure loss;spool design;CAD design141机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER通 过 车 削和 钻 孔 制成。阀口符合ISO 5781底 板 安 装标准。在 阀体 的 默 认设计（设为I型）中，流道A和B的横截面为圆形，如图3（a）所示。可以观察到，流体流动过程中存在截面的阶跃变化和突然偏转。因此，可以通过修正流道几何形状的方式来改变流体流动方向并限制其偏转。然而，在通过传统机加工方法制造的阀体中修正几何形状难度很大。初步分析表明，可以通过在通道主轴方向上分别倾斜和角钻孔来增加两个流道的面积。图3（b）是对流道几何形状进行修改的横截面，设为II型。由于阀体几何形状及其制造技术的限制，和角的范围为7090。2CFD 流体分析2.1模型离散化及网格质量评估CFD分析需要离散内流道模型。因此，在Creo 系统中，建立了与阀体几何结构相对应的流体几何模型（I型和II型）。由于外壳几何形状缺乏轴向或平面对称性，因此有必要在全3D域中分析湍流。在ANSYS/Fluent中进行网格划分及分析。使用不规则单元划分网格，在边界处使用棱柱体、流体内使用四面体。使用压力基求解器的分离算法实现压力-速度耦合。假定质量和动量残差的绝对值小于10-4。基于默认设计（I型）和制造商提供的实际压力损失数据，在初步研究中评估了网格独立性。对于标称流量Qnom=60 dm3/min、流体的运动黏度=4110-6m2/s、温度t=50 C时，AB方向的压力损为pAB=0.60 MPa，而在相反方向pBA=0.59 MPa。压力损失值由ISO 4411标准确定。从ANSYS文档8中推荐的单元尺寸开始，在阀芯和阀座区域应用渐进网格细化技术。该操作将增加单元数量，同时减少了模拟结果与实际数据间的差异。根据初步模拟结果，I型的模型有350 800个单元和超过120 000个节点。得到的网格具有以下参数：正交质量值不小于0.71，偏度小于0.50，最大纵横比小于8.70。II型的离散模型以类似的方式创建，生成382 600个单元和近133 000个节点。图4为阀门完全打开且最大阀芯位移xg=3.1 mm时的网格模型。2.2湍流模型定义湍流模型，首先需要确定雷诺数的范围。根据阀芯间隙几何形状、流体运动黏度=41106m2/s和流量范围Q=20160 dm3/min，雷诺数取值从Re=1.5103到Re=1.8104。ANSYS/Fluent默认提供各种k和k类型的湍流模型，包括Standard k、RNG k、Realizable k和Standard k、SST k。根据文献2、9、10，k模型更准确地描述了壁流。因此，选择k进行进一步研究。在进一步的模拟过程中，比较了使用流量Qnom=60 dm3/min时的k模型的结果，如表1所示。表1各湍流模型获得的测试结果相似，最大值与最小值之差不超过0.15%。同时，Standard k-模型的计算时间缩短了约10%。由于模拟计算数据量大，因此选择最快的Standard k-模型。通过式（1）和式（2）计算湍流动能k和动能耗散。湍流强度I、特征长度l和湍流黏度t分别由式（3）式（5）计算：（k）t+（kui）xi=xj（+tk）kxj+Gk+GbYM+sk；（1）（）t+（i）xi=xj（+tk）xj+C1k（Gk+C3Gb）C22k+s；（2）I=0.16Re0.125；（3）l=0.07DH；（4）t=Ck21。（5）式中：Gk为湍流动能增量；Gb和M分别为浮力和流体可压图1插装阀的横截面776351421.外壳 2.堵塞 3.阀芯 4.弹簧 5.导杆 6，7.密封圈 A，B.连接口图2完整可调单向阀的横截面视图43211.阀体 2.插装阀 3.先导活塞 4.盖板 X.连接口图3阀体通道横截面（b）II型（a）I型图4标记细化区域的流道网格模型（a）I型（b）II型表1湍流模型比较项目Standard kRNG kRealizable k模拟压降0.621 70.620 80.621 1参照压降0.6000.6000.600相对误差3.623.473.52相对计算时间100109111142机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期MECHANICAL ENGINEER缩性产生的能量；DH为水力直径；Re为雷诺数；为流体密度。其余模型常数使用ANSYS 推荐的值：sk=1.00，s=1.30，C1=1.44，C2=1.92，C=0.09。模型的主要参数如表2所示。2.3CFD 仿真及结果对阀门的两个流动方向（AB和BA）进行模拟测试。假设阀门完全打开，此时阀芯位置xg=3.1 mm。取流量从Q=20 dm3/min到Q=160 dm3/min，以步长20 dm3/min进行模拟。图5图6显示了I型阀在最大流量Q=160 dm3/min时的纵截面速度和压力的模拟结果。从图5可以看出，在两个方向上最大流体速度相似为78 m/s。I型中的压力损失，用平均入口和出口压力之差表示，AB方向为3.21 MPa（如图 6（a），BA方向为3.16 MPa（如图 6（b）。图7比较了AB方向上CFD计算结果和制造商通过实验测定的结果。从图中可以看出，在整个考虑的流量范围内，实验结果和CFD结果之间的相对差异不超过6.0%。为了确定和角的值（如图3），对修正流道几何形状后的模型进行了一系列模拟。获得了7090范围内的和角的速度和压力分布。结果表明，与I型相比，将两个角度从90改为78，流体的最大速度逐渐降低。当=78（II型）时，AB和BA方向上最大速度分别降低了24%和32%。同时，压力损失降低了约40%。当Q=160dm3/min，xg=3.1 mm时，II型的速度和压力分布如图8图9所示。3流动特性的测定I型和II型在整个流量范围内获得的CFD模拟结果如表3所示。结果表明，在这两种情况下都实现了压力损失的显著降低，AB流向平均降低了33.9%，相反方向平均降低了37.7%。并且通过CFD模拟获得的结果，确定了阀芯间隙的流量系数g。该系数值的计算公式为g=1Ag2p Q。（6）当xg=3.1 mm时，间隙的横截面积（Ag=74.6 mm2）是恒定的，而流体密度=870 kg/m3。g系数值及其通过二阶多项式拟合的曲线如图10所示。近似函数如式（7）式（8）所示。在AB方向，残差平方和RSSAB=2.4210-4，相关系数RAB=0.996，而在BA方向，RSSBA=2.0110-4，RBA=0.998。gAB（Q）=3.059101+3.025103Q9.667106Q2；（7）gBA（Q）=1.925101+5.381103Q1.860105Q2。（8）表2仿真模型参数密度/（kg m-3）湍流强度I/%特征长度l/mm最小流量Qmin/（dm3 min-1）最大流量Qmax/（dm3 min-1）出口压力pret/MPa8704.76.40.84201600.1图5I型纵截面速度分布图（b）BA向（a）AB向（b）BA向（a）AB向图6I型纵截面压力分布图图9II型纵截面压力分布图图7CFD分析结果与实验结果对比曲线pAB/MPa00.81.62.43.24.00180806040201601401201000104682相对误差/%Q/（dm3 min1）实验曲线模拟曲线相对误差图8II型纵截面速度分布图（b）BA向（a）AB向（b）BA向（a）AB向表3 I和II型CFD仿真确定的压力损失p方向类型流量Q/（dm3 min1）平均降低比例/%20406080100120140160AB,I型0.080.250.620.901.331.902.603.3033.91AB,II型0.070.200.390.570.811.161.471.87BA,I型0.150.290.550.851.201.812.503.2337.73BA,II型0.100.250.380.520.720.951.281.65MPa143机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：MECHANICAL ENGINEER（上接第140页）阀（左位，其中有一股控制油路开启液控单向阀）液压缸（左腔）”。回油路线为“液压缸（右腔）液控单向阀三位四通电磁换向阀（左位）过滤器油箱”。2）当三位四通电磁换向阀线圈2YA得电时，液压缸缩回，其进油路线为“过滤器齿轮泵减压阀三位四通电磁换向阀（右位）液控单向阀液压缸（右腔）”。回油路线为“液压缸（左腔）三位四通电磁换向阀（右位）过滤器油箱”。3）当三位四通电磁换向阀线圈1YA、2YA同时失电时，液压缸处于伸出或回缩极限位置状态。3结论本文介绍了一款新型智能楼梯结构，很好地解决了目前产品安装空间紧凑的问题，避免产品在制造装配过程中出现干涉现象。该新型智能楼梯踏板能实现自动收拢与展开模式，方便可靠，释放了空间，有利于设计人员设计整体布局。该研究成果对工程机械车辆产品设计有一定的借鉴价值，可推广到其他工程车辆产品上，行驶时作为防护装置，作业时具备楼梯功能，便捷实用，可操作性强。参考文献1周志红,朱奇,刘兆江,等.混凝土泵车输送管路对中装配工装设计与应用J.工程机械,2022,53(5):86-90.2汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值:GB 15892016S.3混凝土泵车:QC/T 7182013S.4周志红,朱奇,宁振.混凝土泵车底盘改装设计与研究J.机械工程师,2021(10):112-113,116.5牛美玲,张兴任.基于安全人机工程学的楼梯设计J.安全与环境工程,2010,17(1):79-81.（编辑邵明涛）作者简介：秦晓峰（1980），男，硕士研究生，工程师，主要研究方向为液压传动控制；周志红（1978），男，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为机械结构设计、液压传动控制等。通信作者：周志红，。收稿日期：2022-11-22在所考虑的流量范围内，流量系数值在0.300.59之间变化。并且在两个流向上计算的平均值相似：g mean AB=0.48，g mean BA=0.49。4结论本文提出了一种通过对流道进行几何修正来减少可调单向阀压力损失的方案。在分析标准阀体设计时，注意到流体流动中存在横截面的阶跃变化和突然偏转。因此，通过与通道主轴成一定角度进行额外钻孔的方法改进了流道的几何形状。孔的倾角是根据CFD模拟结果确定的。引入的修改使得AB方向的最大流体流速降低约30%，如图5（a）和 8（a）之间的比较所示。同样，改进后的II型相较于I型压力损失降低了30%40%，使得总能耗显着降低，从而使阀门更加环保。基于获得的结果，确定通过阀芯间隙的流量系数g。结果表明，系数值依赖于流速，在0.30.58的范围内变化。本文所提出的阀门设计改进方法可应用于现代数控机床加工，与在传统机床上加工制成的常用阀体相比，可以显着降低阀门的压力损失。参考文献1PAULY C P.Paying Attention to Check Valves J.WorldPumps,2012(12):4243.2GOMEZ I,GONZALEZ-MANCERA A,NEWELL B,et al.Analysis of the Design of a Poppet Valve by Transitory SimulationJ.Energies,MDPI,2019,12(5):1-18.3JIN Z H,HONG W,YOU T,et al.Effect of Multi-Factor Coupling on the Movement Characteristics of the Hydraulic Variable Valve ActuationJ.Energies,MDPI,2020,13(11):1-20.4YE J J,ZHAO Z H,ZHENG J Y,et al.Transient Flow Characteristic of High-Pressure Hydrogen Gas in Check Valve duringthe Opening ProcessJ.Energies,MDPI,2020,13(16):1-16.5QIAN J Y,WEI L,JIN Z J,et al.CFD Analysis on the DynamicFlow Characteristics of the Pilot-control Globe ValveJ.EnergyConversion and Management,2014,87:220226.6SCURO N L,ANGELO E,ANGELO G,et al.A CFD Analysis ofthe Flow Dynamics of a Directly-operated Safety Relief ValveJ.Nuclear Engineering and Design,2018,328:321332.7LIN Z H,LI J Y,JIN Z J,et al.Fluid Dynamic Analysis of Liquefied Natural Gas Flow through a Cryogenic Ball Valve inLiquefied Natural Gas Receiving StationsJ.Energy,2021,226.8ANSYS Inc.ANSYS Fluent Tutorial Guide(Release 18.0)DB/OL.2022-01-28.https:/ Y Y,YU H B,LIAN Z S,et al.Research and Analysis of theHysteresis Characteristics of a Large Flow Directional ValveJ.Strojniski Vestnik-journal of Mechanical Engineering,2015,61:355364.10LISOWSKI E,FILO G.Analysis of a Proportional Control ValveFlow Coefficient with the Usage of a CFD MethodJ.Flow Measurement and Instrumentation,2017,53:269278.（编辑邵明涛）作者简介：季学文（1992）,男,本科,工程师,主要从事科研项目管理工作。收稿日期：2022-03-21图10II型流量系数AB流向BA流向080604020160140120100Q/（dm3 min1）g（）0.20.60.40.50.3144