船用法兰铸钢截止阀流通特性分析和结构优化.pdf

第49 卷第4期2023年8 月文章编号：16 7 3-5196(2 0 2 3)0 4-0 0 6 1-0 7船用法兰铸钢截止阀流通特性分析和结构优化金维增*1，张力，张希恒3（1.抚顺职业技术学院机械与电子工程系，辽宁抚顺11312 2；2.沈阳三三牌阀门制造有限责任公司，辽宁沈阳110 17 9；3.兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州7 30 0 50）摘要：以DN65船用法兰铸钢波纹管截止阀为例，应用Flow-Simulation软件对其在全开状态下进行流阻系数有限元分析，模拟流场特性，计算流阻系数和流量系数，并依据GB/T30832对其进行实验验证，二者结果相吻合，表明数值模拟计算和方法正确.根据流场云图发现，阀体是影响阀门流阻系数和流量系数的关键因素.分析阀体流道结构对介质流动影响的同时，在阀体结构长度不变的情况下优化阀体流道结构，降低两端压力损失，进而大幅度地降低船用法兰铸钢波纹管截止阀流阻系数，提高流通能力，并通过实验进一步验证，这对阀门的优化设计尤其对直通截止阀具有重要意义.关键词：截止阀；流通特性；流阻系数；流量系数；优化设计；数值模拟中图分类号：TH134Analysis of flow characteristics and structure optimization ofJIN Wei-zeng,ZHANG Li?,ZHANG Xi-heng(1.Department of Mechanical and Electronic Engineering,Fushun Vocational Technical College,Fushun 113122,China;2.Shenyang San-san Brand Valve Manufacturing Co.Ltd.,Shenyang 1lo179,China;3.School of Petrochemical Engineering,Lanzhou Univ.of Tech.,Lanzhou 730050,China)Abstract:Taking DN65 marine flange cast steel bellows globe valve as an example,the finite element a-nalysis of the flow resistance coefficient in the fully open state was carried out using Flow-Simulation soft-ware,and the flow resistance coefficient and flow coefficient were then calculated,followed by the experi-mental verification according to the GB/T30832 standard.The results show that the two results are con-sistent,demonstrating the accuracy of the numerical simulation and the method.According to the flowchart,it is found that the body of the valve is the key factor affecting the flow resistance coefficient andflow coefficient.Then,the effect of the body flow structure on the medium flow was analyzed.Mean-while,remaining the length of the valve body structure was unchanged,the structure of the valve port wasoptimized,and the pressure loss on both ends was reduced,which in turn greatly reduce the cut-off valveflow resistance coefficient of the marine flange cast steel corrugated pipe,and improve its flow capacity.Finally,further verification was performed by the experimental method,which is of great significance tothe optimization design of the valve,especially for straight-through globe valves.Key words:globe valve;circulation characteristics;flow resistance coefficient;discharge coefficient;op-timization design;numerical simulation兰州理工大学学报Journal of Lanzhou University of Technology文献标志码：Amarine flange cast steel globe valveVol.49No.4Aug.2023船用法兰铸钢截止阀密封性能良好，开关过程中密封副间没有相对摩擦，具有安全、可靠和零泄漏收稿日期：2 0 2 1-10-2 1基金项目：辽宁省教育厅项目（FZS20202）通讯作者：金维增（198 5-)，男，辽宁抚顺人，讲师。Email.:等优点，被广泛应用在船舶燃油管路系统中1.阀门的流通性能是衡量管路系统中功率消耗和流通能力的重要指标之一.作为流体管路设计的重要参数，阀门压力损失、流量系数和流阻系数的大小直接决定着整个管路系统的流通能力和能量损耗 2 .由于直通截止阀自身结构特点，介质低进高出，所以可把阀62体内腔分为进口段、中口段、中腔段和出口段，如图1所示.阀盘处于全开状态，介质从进口段流人，经过中口段从水平方向变成垂直方向后进入中腔段；再通过中腔段阀盘作用，使介质由垂直方向变回水平方向从出口段流出.介质反复改变流动方向导致阀门流阻系数变大，流通能力下降，能耗增加.因此，阀体流道形状复杂多变是导致直通截止阀流阻系数比闸阀和球阀大的关键因素.通常根据公称口径不同，直通截止阀流阻系数一般约为410.降低阀门流阻系数和减少能量损耗是当前国内、外阀门设计的重要目标，本文通过优化阀体内腔结构提升阀门的流通能力，并为以后设计研究船用法兰铸钢截止阀提供参考。崔宝玲等 3 和周世豪等 4从阀盘结构人手进行优化设计,降低了流阻系数;陈瑜等 5 和王洪申等 6 对阀体表面粗糙度进行了分析，发现光滑的壁面可以减少对介质的流动干扰，从而降低流阻系数；袁新明等 7、An等 8 和张伟政等 从不同角度对截止阀流阻特性进行了分析研究，并提出了很多改进措施.上述文献都对阀门流通特性进行了分析，为本文的研究提供了很好的借鉴，但流阻系数减少不够明显.针对直通截止阀，通过优化阀体结构降低流阻系数的文献鲜少出现.鉴于此，本文以DN65船用法兰铸钢截止阀为例,采用计算流体力学(CFD)的有限体积法（FEV）和实验分析对直通截止阀在全开状态下流通特性进行对比研究，在验证数值计算准确性的同时，优化阀体流道结构，减少对介质流动特性的影响，降低两端压力损失，从而大幅度地降低直通截止阀流阻系数，提高流通能力，并通过实验进一步验证.1数值计算模型1.1建立几何模型DN65船用法兰铸钢截止阀主要由阀体、密封圈、阀盘、阀盖、波纹管组件和手轮等组成，如图1所示.阀体进口、中口和出口直径均为6 5mm，结构长度为2 90 mm，内腔表面粗糙度为12.5m；阀盘为平面结构，粗糙度为6.3m，开高为18.5mm，里面镶嵌有聚四氟乙烯密封圈.1.2数值计算模型针对已经建立的船用法兰铸钢截止阀实体三维模型，应用Flow-Simulation软件在全开状态下进行流阻系数的有限元分析 10-12 7.1.3控制方程根据物理守恒定理，对流体流动而言，基本控制兰州理工大学学报口年、中进口段中口段图1船用法兰铸钢截止阀优化前结构图（mm）Fig.1Structure drawing of marine flanged cast steelglobe valve before optimization(mm)方程由动量守恒方程Navier-Stokes（N-S)组成.但因N-S方程难以直接求解，故本文采用标准k-方程求解.流方程的表达式如下：1)伯努利方程 13-15D+P一0g+2g式中：P1、P2 为微元体在某点所受的压力;为介质的密度；U1、2 为微元体在某点的速度；h1、h 为微元体在某点的高度；g为重力加速度.2）连续性方程+(pu;)=0at+a;式中：u；为i方向的瞬时速度分量.3)N-S方程a(pu)+div(puiu)=div(gradu.)一atauiauiaui式中gradu;=为流体的动力黏度ay系数；u为流体的平均速度；为流体的运动黏度；p为平均静压；S，为动量守恒方程的广义源项.1.4流体计算区域为了使介质在流道和阀门内充分发展流动，减少进、出口的影响，得到准确的计算仿真结果，可在阀门进口端增加5d长度（d为管道公称尺寸），在出口端增加10 d长度.流体计算区域如图2 所示.图2 流体计算区域Fig.2Fluid calculation area第49 卷手轮波纹管组件阀盖阀盘密封圈阀体065290022+h22gpg(1)(2)_P+S:(3)第4期1.5网格划分因阀门部分结构复杂，对介质流动干扰大，故采用四面体网格划分进行加密处理.对进、出口延长段采用全局划分网格，网格级别为5级，既保证正确求解又减少分析计算量.总网格数量大约为40 万，并进行了网格无关性检验，满足模拟计算要求.流体区域初始网格划分如图3所示.图3流体区域网格划分Fig.3Meshing of fluid areas流量/压差/序号(m.h-l)142.0248.0354.3461.3570.0Fig.6Streamline diagram金维增等：船用法兰铸钢截止阀流通特性分析及结构优化模拟计算结果通过有限元分析求得进口压力和平均流速，并通过计算两端压差求得阀门流量系数和流阻系数，如表1所列.当进口流量为7 0 m/h时，船用法兰铸钢截止阀内部流场分布如图46 所示.表1模拟计算数据Tab.1Simulation calculation data水的黏度/管道流速/环境压力/入口压力/kPa(X10-6m.s-l)33.3761.0143.5281.0155.6211.0169.6541.0191.6071.01静压/MPa0.190.180.17入口体积流量0.160.150.140.130.120.110.10速度/(ms-l)10.9429.731入口体积流量速度7.3106.0994.8893.6782.4671.2570.046图6 流线图631.6边界条件根据标准要求，进口测试流量应不少于5种，各流量值的变化量应不少于10%，且处于流状态，分别取42、48、54.3、6 1.3、7 0 m/h.出口边界条件为环境压力10 1.32 5kPa，默认壁面为绝热壁面，收敛条件为加长管道进口端面总压和平均流速完全收敛1.7(m:s-1)kPa3.539 38101.3254.04500101.3254.57591101.3255.16580101.3255.89896101.325切面图2 最大值切面图2 最小值静压0.19MPa静压0.10 MPa70m/h静压0.10 MPa静压0.13MPaX静压静压静压0.17 MPa0.16 MPa0.17 MPa图4压力云图Fig.4Pressure cloud切面图3最小值切面图3最大值速度0.0 46 m/s速度10.942 m/s速度5.950 m/s70m/h9.388m/s速度速度6.076m/s6.395 m/s图5流速云图Fig.5Velocity contour2实验验证为了验证模拟计算的准确性和可靠性，对船用法兰铸钢截止阀进行流阻系数和流量系数实验。2.1流通特性流场分布、流量系数和流阻系数是船用法兰铸钢截止阀流通特性的重要参数，本文实验遵循GB/雷诺数kPaRe134.701228688144.853261 357156.946295660170.979333774192.932381146环境压力0.101325MPa静压0.10 MPa环境压力0.101325MPa速度速度1.509m/s5.761 m/s流阻系数?5.32856072.699625.320 61372.754 005.31268272.808225.22036573.449265.26511473.13642流量系数Kv64T 308322014 标准执行 16-17 .1)流量系数KK,=10XQXNP.X p o式中:Q为所测水流量，m/h;P，为阀门的净压差,kPa;为水的密度，kg/m;po为15时水密度,kg/m;水在常温时,p/po=1.2)流阻系数2 000 XPv式中：u为实验管道水的平均流速，m/s.流向上游阀门压力水源温度计流量计O图7 实验装置系统示意图Fig.7SSchematic diagram of experimental device system流量/流速/序号(m.h-l)(m.s-l)141.2248.5353.8461.3572.0Fig.8 Test bench of test equipment2.3模拟计算和实验对比不同流量下压降曲线如图9所示.可以看出，在进口流量48 m/h时两端的压降相差最大，为1.15%.不同流量下流阻系数曲线如图10 所示.可以看出，在进口流量6 1.3m/h时流阻系数相差最大，为2.2 1%.计算结果与实验结果拟合曲线吻合，兰州理工大学学报2.2实实验装置和测试结果对阀门进行流量系数和流阻系数测试，实验原理如图7 所示.当阀门全开时，通过仪表测得介质通(4)过阀门前、后压力损失，进而对阀门进行流通能力测试.图8 为大连某检测中心流阻系数和流量系数实验台架。同样，进口流量分别取42、48、54.3、6 1.3、7 0m/h,调整下游调节阀门使流量达到测试流量值，允许偏差不超过1.2%.在每个流量稳定后，同时记(5)录流量和压差数值，计算出阀门流量系数和流阻系数,如表 2 所列.压差测量装置压差测量装置直管段取压孔实验阀门上游取压孔15d5d表2 实实验数据Tab.2Test data上游测试管直管段净压差/压力/kPa压差/kPa压差/kPa3.45134.204.06146.814.50157.195.13173.816.03200.82图8测试装置实验台第49卷下游取压孔10d10d水的黏度/雷诺数Re/kPa(X10-6 m.s-l)32.881.1045.491.4655.871.7672.492.2199.502.79下游调节阀门流阻流量(X105)系数系数Kv31.781.0144.031.0154.111.0170.281.0196.711.011009080706050403040图9不同流量下的压降值Fig.9Pressure drop value under different flow rates6丽5440图10不同流量下的流阻系数Fig.10Flow resistance coefficient under different flow rates2.2X1052.62.93.33.95060进口流量/(mh-)计算值实验值5060进口流量/(mh-l)5.3435.3425.3355.3385.324计算值一实验值7080708073.08973.09673.14173.12473.216门片第4期变化趋势一致.由此说明,所建模型准确并且所用计算方法正确，可为优化阀门结构奠定良好基础.3优化设计3.1原因分析由图46 可以看出：进、出口管道段压力分布均匀，但是两端压差较大，阀门段出现明显的阶梯变化；进口段上层流线密集速度快，下层稀疏速度慢且有静止和流动漩涡区域；中口段速度变化明显，且出现最大速度；中腔段阀盘底面出现最大压力，阀盘和阀座中间出现最大速度；出口段流线波动明显，漩涡强烈，流动扰动较大，压力损失严重。造成这些问题的原因在于：1）进口流道横截面形状从圆形逐渐变成U型，再变回圆型，面积始终等值过渡；进口段前部分流道为直壁结构，靠近法兰连接位置有拐点;转弯位置的弯曲直径过大,导致大量介质处于漩涡状态 18 1.2）中口流道面积小，与进口段和中腔段垂直过渡，无倒角。3）中腔直径小，阀盘开高不够.4）出口段与中腔段连接处有拐点，流道面积小为了大幅度地减小船用法兰铸钢截止阀流阻系数，提升流通能力，本文在原结构的基础上对阀体流道进行流线型优化设计，并确定阀体内腔进口段各横截面积与公称通径和进口段曲率的关系.3.2模型优化设计在阀体结构长度不变的情况下，为了使阀门具有更小的流动回流区和更少的漩涡结构，减少对介质的干扰，降低流动损失和两端压差，需要对阀门进行以下改进：1）进口段各截面均采用圆角过渡，减少与中口段轴向的偏转角度；根据GB/T6414规定的公差，进口和出口的直径由6 5 mm增加到6 7 mm（最大极限尺寸），进口和出口的面积S1逐渐增加到进口段最低点处横截面积s2，且s21.33s 1，然后逐渐收缩到中口段.2）中口段横截面积的直径由6 5mm增加到7 3mm,并做倒角处理，降低流道2 次转角程度，且中口段横截面积s31.2 S1.3）增加中腔段横截面积S4，保证出口流道具有足够的过流面积，且S43S1.4）降低阀盘对介质流动的干扰，保证阀盘开启后流道面积大于中口段横截面积，阀盘开高增加到公称通径的三分之一,即阀门开高由 18.5mm 增加金维增等：船用法兰铸钢截止阀流通特性分析及结构优化逐渐收缩到出口处S1.优化后的模型如图11所示.工手轮波纹管组件阀盖阀盘密封圈阀体R8245%073290图11舟船用法兰铸钢截止阀优化后结构图（mm)Fig.11Structure drawing of marine flanged cast steelglobe valve after optimization(mm)3.3进口段曲率与流阻系数的关系根据上文分析可知，阀体内腔结构是影响截止阀流阻系数的关键因素，要降低流阻系数就必须对进口段各横截面中心曲线的弯曲程度进行限制.1）流阻系数与进口段前半部分曲率的关系为d7.K110式中：d 为公称通径,mm;K1为进口段前半部分曲率.把式(6)代人式(5)整理得：5140XPVXK1XQ?2）流阻系数与进口段后半部分曲率的关系为10d13.K2式中：K，为进口段后半部分曲率.把式（8)代人式（5)整理得：432XPv5XKXQ?3.4优化后模拟计算优化后模拟仿真计算过程与原模型一致，内部流场分布如图12 14所示.可以看出：最大压力由原模型的0.19 MPa减少到0.14MPa，减少了26.3%；最高流速由10.8 7 m/s减少到9.6 2 6 m/s，减少了11.5%；内部流场流速更趋于平稳，流线平缓，变化减少.流阻系数和流量系数如表3所列.65到2 2 mm.5）出口段垂直最大横截面积ss1.36 S1，然后中腔段出口段进口段中口段(6)(7)(8)(9)！66兰州理工大学学报第49卷静压/MPa0.150.130.14入口体积流量静压0.15MPa静压0.12 MPa0.1372m/h静压0.120.14 MPa4静压0.10 MPa0.120.100.100.10静压0.13MPa0.09静压0.14MPa静压0.13MPa图12 优化后压力云图Fig.12Pressure map after optimization速度/(ms-)9.212入口体8.199积流量切面图3最大值速度5.0 7 9 m/s7.18672 m/h速度9.2 12 m/s6.1735.1604.1473.1352.1221.1090.096切面图2 最大值速度5.7 30 m/s速度6.57 3m/s速度6.0 11m/s速度4.12 1m/s速度5.554m/s图13优化后速度云图Fig.13Speed cloud map after optimization环境压力0.101325MPa静压0.10 MPa环境压力速度7.436 m/s0.101 325 MPa速度5.8 2 0 m/s图14优化后流线图Fig.14Streamline diagram after optimization表3优化后模拟计算数据Tab.3Simulation calculation data after optimization流量/压差/序号(m.h-l)1422483554635723.5优化后模拟计算与实验测试对比根据优化后的三维模型生产加工出实体，使用相同的实验装置和台架进行阀门流量系数和流阻系数测试,结果如表4所列.流量/水流速/序号(m.h-l)141.5248.9354.1461.3569.8水的黏度/kPa(X10 m.s-1)15.8261.0120.5791.0126.8991.0135.1411.0145.7051.01Tab.4 Test data after optimization上游测试段(m s-1)压力/kPa3.4836.494.1047.624.5455.725.1369.365.8484.97管道流速/(m s-1)3.337 653.814 464.370 735.006 475.76129表4优化后实验数据直管段净压差/雷诺数Re/压差/kPa压差/kPa17.631.1124.101.4829.581.7738.242.2148.722.78环境雷诺数Re压力/kPa215653101.325246461101.325282403101.325323480101.325372250101.325优化后不同流量下压降曲线如图15所示.可以看出，计算值与实验值变化趋势一致，最大误差为3.28%.优化后不同流量下流阻系数曲线如图16 所示.可以看出，最大误差为4.7 6%.优化后压降曲线kPa(X105)16.522.222.622.627.812.936.043.345.943.7人口压力/kPa117.1512.841 316 2121.9042.8287081128.2242.8161655106.04608136.4662.804 018 5147.0302.7539385106.50025流阻流量系数?系数Kv2.729102.2122.694102.8852.704102.682.736102.0922.690102.961流阻系数”105.57564105.81058106.275 58流量系数Kv第4期504030201040图15优化后不同流量下压降值Fig.15Pressure drop value at different flow rates afteroptimization40302040图16 优化后不同流量下流阻系数Fig.16Flow resistance coefficient at different flow ratesafter optimization和流阻系数曲线误差小，表明了阀门优化后模拟计算的准确性,4结论本文通过对DN65船用法兰铸钢截止阀模型的流通特性进行数值模拟分析和实验测试，发现流阻系数误差仅为0.8%验证了模拟分析的准确性，并根据内部流场分布分析了导致流阻系数过大的原因同时，对DN65船用法兰铸钢截止阀模型进行了优化，增加了阀门进口段、中口段和出口段内腔流道面积，将进口段和中口段垂直过渡改变为圆角过渡，重新确定了阀门开高.结果表明：流阻系数平均值从5.34降低到2.7 1，降低了49.3%；流量系数平均值从7 3.133提高到10 2.55，提高了40.2%.阀门流阻系数降低使流通能力得到较大提升，可为船用金维增等：船用法兰铸钢截止阀流通特性分析及结构优化计算值实验值115060进口流量/(mh-l)一计算值实验值上5060进口流量/(mh-)67.法兰铸钢截止阀设计改进和研究提供新思路参考文献：1金维增,张力,陈增斌,等.截止阀中波纹管的强度校核及其结构保护措施J.管道技术与设备，2 0 2 0（4)：44-48.2陆培文.阀门设计人门与精通M.北京：机械工业出版社，2009.3崔宝玲，马光飞，王慧杰，等.阀芯结构对节流截止阀流阻特性70807080和内部流动特性的影响J.机械工程学报，2 0 15，51（12）：178-184.4周世豪，刘兴玉，于强伟，等.船用法兰截止阀低流阻结构设计对比研究J.化工机械，2 0 17，44（3）：340-344.5陈瑜，魏文鹏，张立祥，等.基于Fluent的截止阀壳内流道流场分析J.煤矿机械，2 0 13,34(10）：90-91.6王洪申，张家振，陈杰.柱塞式调节阀壁面粗糙度对流量系数影响的数值模拟研究J.流体机械，2 0 2 0，48（9）：2 9-34.7袁新明，毛根海，张土乔.阀门流道流场的数值模拟及阻力特性研究J.水力发电学报，1999，6 7（4）：6 0-6 6.8 AN Y J,KIM B J,SHIN B R.Numerical analysis of 3-D flowthrough LNG marine control valves for their advanced designJ.Journal of Mechanical Science and Technology,2008,22(10):1998-2005.9张伟政，赵志琦，邱晓来，等.介质流向对截止阀流场和流阻特性的影响J.甘肃科学学报，2 0 17,2 9（1）：92-95.10王振波，张兆伟，韩廷忠，等.截止阀特性测试与研究J.阀门,2 0 0 1(6):19-2 2.11孙超杰，孙佳丽，朱明华.升降式止回阀流阻影响因素数值模拟分析与研究J.阀门，2 0 17（1）：17-19.12林金国，曾小林，童小川，等.大型高压蒸汽阀流量特性的数值模拟J.流体机械，2 0 15，43（2）：56-59.13朱祖超，林哲.流程阀门流体动力学M.北京：机械工业出版社，2 0 19.14李华良，张鹏，万攀，等.截止止回阀流动优化仿真分析研究J.石油和化工设备，2 0 15，18（9）：12-16.15伍悦滨，曹慧哲.工程流体力学（水力学）M.北京：中国建筑工业出版社，2 0 18.16全国阀门标准化技术委员会.阀门流量系数和流阻系数试验方法：GB/T308322014S.北京：中国标准出版社，2 0 14.17吴磊，李莹莹，张建斌.阀门流阻测试与流量计检定装置的设计 J.阀门,2 0 17(4)：17-19.18唐政，王秋林.核电站Y形截止阀流阻系数的研究J.阀门,2 0 18(1):14-17.19宋志伟，崔宝玲，尚照晖，等.截止阀启闭过程内部瞬态流动特性J.工程热物理学报，2 0 12,33（6）：957-96 0.