阀芯结构对节流截止阀流阻特性和内部流动特性的影响.pdf

第 5 1 卷第 l 2期 2 0 1 5 年6 月 机械工程学报 J OURNAL OF M ECH ANI CAL ENGI NEERI NG VO1 ． 51 J un． NO ． 1 2 2 O 1 5 Dol 1 0 ． 3 9 01 ／ J M E． 2 01 5 ． 1 2． 1 78 阀芯结构对节流截止阀流阻特性和内部 六 I L 动特性的影响术 崔宝玲 马光飞 王慧杰 林 哲 尚照辉 浙江理工大学浙江省流体传输技术研究重点实验室杭州3 l o o 1 8 摘要为探索阀芯结构对节流截止阀性能的影响，基于有限体积法和标准 k - e 湍流模型，在不同开度条件下，采用数值模拟 的方法，研究平底、梯形和弧形三种不同阀芯结构节流截止阀的流阻特性，分析阀内部的速度和压力分布规律；并对三种阀 芯结构的节流截止阀的流阻特性开展水力试验研究， 数值模拟得到的阀门流量系数和流阻系数的结果与水力试验结果比较吻 合。结果表明，在开度小于 4 0 ％时，梯形和弧形阀芯结构的阀门较平底阀芯结构的阀门内部低压回流区有所减弱，压力分布 趋于均匀，阀门流阻系数减小， 更有利于阀门内部流体的流通；当开度大于 5 5 ％时， 三种阀芯结构的阀门流阻系数基本重合， 并趋近与零；在整个开度，弧形阀芯结构的阀门流量随阀门开度变化较为均匀，更有利于阀门流量的调节。 关键词节流截止阀；试验测试；数值模拟；流量系数；流阻系数 中图分 类号T H3 8 I n flu e n c e 0 f VA l v e Co r e S t r u c t ur e o n Fl o w Re s i s t a nc e Cha r a c t e r i s t i c s a n d I nt e r na l Fl o w Fi e l d o f Th r o t t l i n g S t o p Va l v e C UI B a o l i n g MA G u a n g f e i WANG H u ij i e L I N Z h e S HA NG Z h a o h u i T h e Z h e j i a n g P r o v i n c i a l Ke y L a b o r a t o r y o f F l u i d T r a n s mi s s i o n T e c h n o l o g y , Z h e j i a n g S c i T e c h U n i v e r s i t y , Ha n g z h o u 3 1 0 0 1 8 Ab s t r a c t T o s t u d y t h e i n flu e n c e o f v a l v e c o r e s t r u c t ure o n t h r o t t l i n g s t o p v a l v e ， t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f fl o w fie l d i n t h e v a l v e wi th fla t b o t t o m ， T r a p e z o i d a n d Ar c v a l v e c o r e s t r u c t ur e u n d e r d i ffe r e n t v a l v e o p e n i n g a r e c o mp u t e d b a s e d o n fin i t e v o l u me me t h o d a n d s t a n d a r d k - e t u r b u l e n c e m o d e 1 ． Th e s p e e d a n d p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n i n v a l v e are a n a l y z e d ． An d h y d r a u l i c e x p e rime n t a l t e s t i s c a r r i e d o u t t o o b t a i n flo w r e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i c s ．Th e fl o w c o e f fic i e n t a n d flo w r e s i s t a n c e c o e c i e n t o f n u me r i c a l me t h o d s b a s i c a l l y a g r e e wi t h o n e s o f h y dra u l i c e x p e rime n t ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t the l o w- p r e s s u r e b a c k flo w a r e a i n v a l v e wi t h T r a p e z o i d v a l v e c o r e a n d a r c v a l v e c o r e are d e c r e a s e d ，t h e p r e s s ure d i s t r i b u t i o n t e n d s t o b e u n i f o r m，a n d t h e fl o w r e s i s t a n c e c o e ffic i e n t d e c r e a s e s wh e n the o p e ni n g i s l e s s th a n 4 0 ％ ． I t i s m o r e c o n d u c i v e f o r t h e fl u i d t h r o u g h t h e v a l v e ． W h e n t h e o p e n i n g i s m o r e t h an 5 5 ％， v a l v e flo w r e s i s t a n c e c o e ffic i e n t o f t h r e e t h r o t t l i n g s t o p v a l v e c l o s e t o z e r o are b a s i c a l l y t h e s a me ． F o r a l l o p e n i n g ， t h e fl o w o f v a l v e wi t h Ar c v a l v e c o r e i s mo r e u ni f o r mi t y a n d i t h a s b e t t e r c o n t r o l p e r f o rm a n c e ． Ke y wo r ds t h r o t t l e s t o p v a l v e ； e x p e ri m e n t a l t e s t ； n u me ric a l s i mu l a t i o n； flo w c o e m c i e n t ； fl o w r e s i s t a n c e c o e ffi c i e n t 0 前言 阀门是管道流动 中重要 的控制 元件 ，具有 截 止、调节 、防止逆流和稳压等功能。在 阀门的使用 过程中，当流体通过阀门流道时将产生诸如旋涡 、 空化和水锤等复杂流动现象 。这些复杂流动不仅严 国家自然科学基金 2 l 2 7 6 2 4 1 和浙江理工大学 5 2 1人才资助项 目。 2 0 1 4 0 6 1 8收到初稿，2 0 I 5 0 1 1 9收到修改稿 重危害管道的使用，同时还影响阀门流道局部水头 损 失。因此，国内外学者利用试验和数值模拟方法 对 阀门开展 了大量的研究，并取得 了一些有益 的成 果[ 1 ． 5 】 。 节流截止阀作为一种特殊的阀门，结合了截止 阀与节流阀两种阀门的优点，既有截止阀的密封功 能又有节流阀的调节作用 J 。然而，国内外对于节 流截止 阀研究很少，大部分的研究都是针对单独 的 节流阀或截止 阀开展 。袁新明等 采用 R NG k - e 湍 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m l 8 4 机械工程学报 第 5 1 卷第 1 2期 的性能得到了相应 的改善 。 参考文献 [ 1 】C HOTD，Y ANG S a n g mi n ，L E EHY，e t a 1 ． A s t u d yo n t h e f o r c e b a l a n c e o f a n u n b a l a n c e d g l o b e v a l v e [ J ] ． J o u r n a l o f me c h a n i c a l s c i e n c e and t e c h n o l o g y ，2 0 0 7 ，2 1 5 8 1 4． 8 20． 【 2 ]A NY J ，KI M B J ，S HI NBR ． N u me ri c a l a n a l y s i s o f 3 - D flo w t h r o u g h L NG ma r i n e c o n t r o l v a l v e s f o r t h e i r a d v a n c e d d e s i g n [ J ] ． J o u r n a l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d T e c hno l o g y ，2 0 0 8 ，2 2 1 0 1 9 9 8 - 2 0 0 5 ． [ 3 】MOU J A E S S F ，J AGA N R． 3 D C F D p r e d i c t i o n s and e x p e r i me n t a l c o mp a r i s o n s o f p r e s s u r e d r o p i n a b a l l v a l v e a t d i ff e r e n t p a r t i a l o p e n i n g s i n t u r b u l e n t fl o w[ J ] ． J o u r n a l o f E n e r g y E n g i n e e r i n g ，2 0 0 8 ，1 3 4 1 2 4 ． 2 8 ． 【 4 ]Y ANG G u o a n ，YI N X i n ，S ONG Z h e n g ，e t a 1 ． P a r t i c l e i ma g e v e l o c i me t r y m e a s u r e me n t o f t h e fl o w fi e l d i n t h e p l a y o f t h e d ri l l i n g p um p v a l v e [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 0 1 2 7 3 7 ， [ 5 】宋治伟，崔宝玲，尚照辉，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 1 2 ， 3 3 6 9 5 7 ． 9 6 0 ． S 0NG Zh i we i ， C UI Ba o l i n g ， S HANG Z h a o h u i ， e t a 1 ． Tr a n s i e n t fl o w c h a r a c t e ris t i c o f c u t ． 0 f f v a l v e i n o p e n i n g 。 c l o s i n g p r o c e s s [ J 】 ． J o u r n a l o f E n g i n e e ri n g T h e r r n o p h y s i c s ，2 0 1 2 ，3 3 6 9 5 7 9 6 0 ． 【 6 ]陆陪文．阀门设计入门与精通[ M】 ．北京机械工业出 版社 ，2 0 0 9 ． L U P e i we n ．V a l v e d e s i g n e n tr a n c e a n d ma s t e r [ M] ． B e r i n g C h i n a Ma c h i n e P r e s s ，2 0 0 9 ． [ 7 】袁新明，贺治国， 毛根海．用 R N Gk 吨紊流模型对截止 阀三维紊流流 动的数值模拟 [ J 】 ．流体机械 ，2 0 0 6 ， 3 4 1 0 3 4 - 3 8 ． YUAN Xi n mi n g， HE Zh i g u o， MAO Ge n h a i ． Num e r i c a l s i mu l a t i o n o f a t u r b u l e n c e fl o w i n t h e c u t ． O f r v a l v e b y R NG k s t u r b u l e n c e mo d e l [ J ] ． F l u i d Ma c h i n e r y ，2 0 0 6 ， 3 4 1 0 3 4 3 8 ． [ 8 ]8 P AL AU S AL V A DOR G， GO NZ A E Z AL T O Z A NO P ， ARVI ZA- VAL VE RDE J ． T hre e ． d i me n s i o n a l mo d e l i n g and g e o me t r i c a l i n flu e n c e o n the h y dra u l i c p e rfo r ma n c e o f a c o n t r o l v a l v e [ J ] ．J o u r n a l o f F l u i d s E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 8 ，1 3 0 1 0 1 1 1 0 2 ． [ 9 】C H E R NM J ，H S UPH，C H E NGY J ，e t a 1 ． N um e r i c a l s t u d y o n c a v i t a t i o n o c c u r r e n c e i n g l o b e v a l v e [ J ] ． J o u r n a l o f E n e r g y E n g i n e e ri n g ，2 0 1 2 ， 1 3 9 I 2 5 3 4 ． [ 1 0 ]RA F I E E S E ，S ADE GH I A Z AD M M． T h r e e ． d i me n s i o n a l a n d e x p e rime n t a l i n v e s t i g a t i o n o n t h e e ff e c t o f c o n e l e n g th o f t hr o t t l e v a l v e o n the r ma l p e r f o rm a n c e o f a v o rt e x tub e u s i n g k 一 ￡ t u r b u l e n c e mo d e l [ J ] ．A p p l i e d T h e rm a l E n g i n e e r i n g ，2 0 1 4 ，6 6 1 6 5 - 7 4 ． [ 1 1 】 LT A NKA R S V Nu me ri c a l h e a t t r a n s f e r a n d fl u i d fl o w[ M] ．Wa s h i n g t o n H e mi s p h e r e P u b l i s h i n g C o r p ． ， 】 9 8 0 ． 作者简介崔宝玲 ，女，1 9 7 5年出生，博士，教授，博士研究生导师。 主要从事流体机械汽蚀特性与数值模拟的研究。 E ma i l b l c u i z s t u ． e d u ． c n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m