基于源汇法和数学解析法的轴流式止回阀阀芯流线型设计及流阻系数分析.pdf

第 4 2卷第 4期 2 0 1 3年 7月 石油化工设备 PETR CHEMI CAL E QUI PMENT Vo1 ．4 2 NO ．4 J u l y 2 0 1 3 文章编号 1 0 0 0 7 4 6 6 2 0 1 3 0 4 0 0 2 3 0 4 基 于源汇法和数学解析法 的 轴流式止 回阀阀芯流线型设计及 流 阻系数分析 张希恒 ，吴佳 宝 ，段 峰波 ，李 科。 1 ． 兰州理工大学 ，甘肃 兰州 7 3 0 0 5 0 ； 2 ． 自贡新地佩尔 阀门有 限公 司 ，四川 自贡6 3 4 0 0 0 摘 要 采 用源 汇法和 数 学解析 法相 结合 的方 法设 计轴 流 式 止 回 阀的 阀芯 线 型 ， 利 用等 强度 线 源 与 直线均 匀流叠加法以及精确数学表达法 ， 分析推 导了阀芯中阀瓣和导流罩的表面曲线数 学表达式， 解析 推 导 了轴流 式止 回 阀的流 阻 系数 。以此 方法 对某 型号 的轴流 式止 回 阀阀芯 的线 型进行 改进设 计 ， 计算 了改进前后 的 阀门流 阻 系数 ， 通过 对 比分析 可知 流 阻 系数 降低 明显 ， 此研 究结 果 可为 轴流 式止回阀阀芯的线型设计提供一定的理论分析和计算方法。 关键 词 轴流式止回阀；源汇法；数学解析法；流阻系数 ； 线型设计；分析 中 图分 类号 TQ 0 5 0 ． 2 文 献标 志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 0 7 4 6 6 ． 2 0 1 3 ． 0 4 ． 0 0 6 S t r e a m l i ne d De s i g n o f Ax i a l Ch e c k Va l v e S p o o l a n d An a l y s i s o f Fl o w Re s i s t a n c e Co e f f i c i e nt Ba s e o n S i n g u l a r i t y Di s t r i b u t i o n M e t ho d a n d M a t h e ma t i c a l Ana l y t i c M e t h o d ZHANG Xi h e n g ，W U J i a b a o ，DUAN Fe n g - b o ，LI Ke 1 ． La n z hou Uni ve r s i t y of Te c h no l o gy， La nz ho u 7 3 00 5 0， Ch i na； 2 ． Zi g o ng Ne w Di pp e r V a l ve Cor po r a t i o n， Zi go n g 6 3 4 0 0 0， Chi na Ab s t r a c t Th e l i n e t y p e o f a x i a l c h e c k v a l v e s p o o l i s d e s i g n e d b y a d o p t i n g s i n g u l a r i t y d i s t r i b u t i on m e t h od a n d ma t he m a t i c a l a n a l yt i c me t ho d．t he s up e r po s i t i o n o f t he e q ua l i n t e ns i o n o f l i ne a r s ou r c e wi t h p a r a l l e l f l o w a nd a c c ur a t e ma t he m a t i c a l e x p r e s s i o n me t ho d a r e a p pl i e d t o a n a l ys i s t he s ur f a c e c u r ve m a t he ma t i c a l e x pr e s s i on o f s po o l a nd d e du c i ng f l o w r e s i s t a n c e c oe f f i c i e nt o f a x i a l c he c k va l v e ． And t h i s wa y i s u s e d t o i m p r ov e t he l i n e t yp e d e s i gn o f c e r t a i n t y pe o f a x i a l c he c k v a l v e s p oo l 。c a l c u l a t e d f l o w r e s i s t a nc e c o e f f i c i e n t o f t he be f o r e a n d a f t e r o f i mpr o ve d v a l v e a n d c o m p a r e d，f l o w r e s i s t a nc e c oe f f i c i e nt r e d uc e d ob vi ou s l y ． The r e s ul t s ma y p r o vi d e t h e o r e t i c a l a 一 轴流 式止 回阀以其 运行 平稳 、 水击 压力 小 、 不易 空化 、 对介 质压 力 变化 响应 速度快 、 低 噪声 及密 封性 好 等 优点 ， 广泛 地 用 于油气集 输 管 网等泵 的 出 口、 消 防和石化等管道上作止回装置 棚。轴流式止 回阀 阀芯线型的结构是否合理对其流阻系数、 压力损失 、 边界层分离等流态性能影 响很大 ， 而合理的阀芯流 线型设计是降低轴流式止 回阀这些流态性能以及提 高流通能力 的有效途径 。以前 阀芯的设计方法 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 2 0 2 基金项 目甘肃省科技支撑计划 1 1 0 5 Z S B 0 7 9 作者简介 张希恒 1 9 6 6 - ， 男 ， 甘肃永登人 ， 副教授 ， 硕士 ， 多年从 事阀门的研制开发及设 计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 3年第 4 2卷 通常是几段直线和斜率变化很小的曲线组合而成的 线型 ， 对 阀门 的流态性 能影 响很大 。 文 中基 于 源汇 法 和精 确 的数 学 表达 式 方法 ， 提 出一 种轴 流式止 回阀阀芯流 线型 的设计 方法 。 l 阀芯线型设计 1 ． 1 设计方法 阀瓣线 型设计 采 用源汇 法 】 。源汇法 是零 流线 线 型设计 ， 由此 方法 设 计 的流 道 在 流体 过 流 时 有较 小的阻力 ， 且边界层不易分离， 阀瓣符合流体的运动 规律 ， 但并 不是 所有 的源 汇法 都 适 合 阀瓣 的线 型设 计 。如一 个点 源与 直线均匀 流叠 加时 只能生 成最 大 直径不同的半球形 ， 而一对等强度源、 汇与直线均匀 流叠加生成 的回转体外形 只能改变长度 与最 大半 径 。因此 ， 只有 以某 种 形 式 连续 分 布 的源 、 汇 如 线 分布或面分布 与直线均匀流叠加， 才能生成流线型 的阀瓣 。 文 中采 用 等强 度 线 源与 平行 流叠 加法 ， 通 过 控 制 线源 、 线 汇 的长 度 和 强 度 ， 来 设 计 流 线 型 的 阀 芯 结 构 。 为 了降低边界层的分离 ， 必须使阀瓣与导流罩 的过流线 型光 滑连 接 且 连续 过 渡 ， 且 采 用具 有 精 确 的数学 表达式 方法 来设计 。 1 ． 2 阀瓣线型设计 轴 流式 止 回阀的 阀芯 由阀瓣和 导流罩 两部 分组 成 。阀瓣与阀体的阀座接触后关 闭阀门达到密封 ， 开 启 时阀瓣 与 阀体 的 阀座 分离 ， 导 流罩 在 阀 门 中引 导 流体 流 出阀 门 ， 其 结构 示 意 图见 图 1 。图 中 ， 横 坐 标 z表 示 阀芯 的长度 ， 纵 坐标 r 表 示 阀芯 的半 径 ， 其 中 A 点 为 阀瓣 与导 流罩过 渡点 。 图 1 阀芯线型示图 利用 源汇 法描述 阀瓣 长度 和半径 关系 的数学 表 达 式为嘲 E V z r 一 一 ] 譬 1 其 中 z ／ R 。 一0 ． 1 式 中， r为 阀瓣 回转体 的半 径 ， R。 为 阀瓣 的最大半 径 即 阀瓣 与导 流罩 过 渡点 处 ， ,2 7 为 沿 轴 方 向的距 离 ， z 为 沿 z轴 上等 强度源 和汇 的分布 长度 ， I T l m。 在实际的分析计算中， 阀瓣顶点 的横坐标并不 在坐标原点。为了计算方便， 利用几何关系将 1 改 写如下 ．2 7 一音 1 一 2 r √ ㈦ √ 南 4 由式 2 ～式 4 可 知 ， 当 一 1时 ， 即 阀瓣 的 顶 点 ； 当 一一1时 ， r R 。 ， 为 阀瓣 的最 大半径 。因此 ， 当 在 1 ～一1之间取值 ， 得到对应的 -z 、 r坐标即为 阀瓣线 型 坐标 。 1 ． 3 导流罩线型设计 1 ． 3 ． 1 线 型 设 计 由图 1可看 出 ， 导 流罩 与 阀瓣 接触 处 过 渡点 的 线 型半径先 有小 幅度 的增 加 ， 然 后 又趋 于减 小 。为 了降低流体流过导流罩与阀瓣接触处过渡点的边界 层分 离 ， 减 小流 体阻力 ， 应使 阀瓣 与导流罩 的线 型光 滑 、 连 续 地 过 渡 。为 此 ， 阀瓣 与导 流 罩 过 渡 处 的型 值 、 斜率 、 曲率必须相同。 阀瓣 与导 流罩过 渡处 的 3个边 界条 件 ① 过渡 处 阀瓣 与导流 罩 的 曲线 型值 相 同 。② 过 渡处 阀瓣 与导流罩 的曲线斜率相同。③ 过渡处阀瓣 与导流 罩 的 曲线 曲率相 同。 按 边界 层 不 分 离 条 件 ， 导 流 罩 末 端 处 的 曲 线 倾角一般取 1 2 。 为佳_ 8 ] 。在 实际工程 条件下 要求 阀芯 的长 度 尽 可 能 的 减 小 ， 为 此 可 适 当 调 整 倾 角 角度 。 导 流罩末 端处 B点 的 2 个 边 界条 件 ① 导 流 罩末端 处 的 曲线 型值 由设 计参 数值 确 定 。② 导 流 罩末端 处 的曲线斜 率 由设 计参数 值确 定 。 由以上 5个边界条件， 可以构建一个一元 四次 方程组 ， 计算求解后就可确定 5个边界常数 ， 也就确 定 了导流罩 的线 型方程 。此方 程可精 确表 达导 流罩 的流线方程 ， 其数学表达式为 厂 z 一口 0 口 1 z口 2 z 。 a 3 。 n 4 z 5 式 中 ， n o 、 a 、 口 、 口 3 、 口 均为 边界 常数 。 1 ． 3 ． 2 阀瓣与导流罩过 渡处边界 常数 阀 瓣 与 导 流 罩 过 渡 处 流线 方 程 的 型值 方 程 相 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 张希恒 ， 等 基 于源 汇法 和数 学解 析法的轴流式止 回阀阀芯流线型设计及流阻系数分析 等 ， 联立 式 1 、 式 5 可列 出 -厂 一r 6 阀瓣与导流罩过渡处的曲线斜率相等。分别对 式 1 、 式 5 求取一阶导数 ， 二者皆为斜率计算方程 且相 等 ， 可列 出 厂 z 一 d r 7 阀瓣与导 流罩过渡处 的曲率相等 。分别对 式 1 、 式 5 求取二阶导数 ， 二者皆为 曲率计算方程且 相 等 ， 可列 出 8 1 ． 3 ． 3 导流罩末端 处边界 常数 由设计结构参数可知， 导流罩末端处的曲线型 值计算方程与 z轴相交 ， 其 型值为 ， z 一0 9 导流罩末端处的曲线斜率计算方程 ， z 一a r c t a n 0 1 0 式 中 ， 为导 流罩末 端 处 的曲 线与 z轴 的倾 角 ， 一 般 取 1 2 。 。 由式 6 ～式 1 0 构成求解方程组 ， 将边界条件 代 人方 程 组 中可得 到 5 个 边 界常数 。 2流 阻系数计算 建 立 轴流 式止 回阀阀芯 流线 型方 程 的主要 目的 是防止 出现边界层分离， 降低 阀门的流阻系数。阀 芯 的线 型 是 由几 段 连 续 光 滑 的 曲线 组 成 的 ， 只需 求 得 不 同线段 上 的流 阻系 数 ， 然 后 叠 加 即 为 阀 门 的流 阻系数 。 阀 门 的 流 阻 系 数 与 介 质 流 速 、 压 差 以 及 密 度 相关 。 2 ． 1 流体总速度 总速 度 按 照下式 计算 一 ／ 1 1 其 中 1 2 一 1 3 一 1 7 y 2 [ 一 ／ z r ] 1 4 式中， 为流体沿 3 7 轴 的流速 ， 为流体沿 r轴 的 流速 ， 一为 阀 门入 口流速 ， m／ s ； 为 等 强 度 线 源 与 直线 均 匀流叠 加形 成流 场 的流 函数 方程 ] 。 2 ． 2 压 差 5 P 流 体介质 流经 阀门的压 差表 达式为 _ g ] A p 专P 。。 。 c p 1 5 ．2 其 中 一1 一 式 中， 为流 体 密流 速 度 ， m／ s ； p为流 体 密度 ， k g ／ m。 ； c 为压力 系数 。 2 ． 3 流阻系数 轴流式止回阀流阻系数与流体介质流经阀门的 压差成正比， 与流体速度的平方和密度成反 比， 其数 学 表达 式为 _ 1 2 5p 1 6 l 。 3 对 比结果并验证 3 ． 1 改进前后结构对比 以某公 司 设 计 的 DN 1 0 0 mm、 P N 1 ． 6 MP a 、 R 。 一1 1 0 mm、 阀芯 总长度 为 1 6 0 mm 的轴 流式 止 回 阀为分析对象 ， 利用前文所述 的方法对阀芯原结构 进 行改 进设 计 。 由 于计 算数 据 较 多 ， 在此 只表示 出改 进前 后 阀 瓣 和 导流 罩组成 的 阀芯线 型 及 流 道结 构 示 意 图 ， 见 图 2 。 改进前流道 改进前 改进后流道 改进后 图 2改 进 前 后 阀芯 线 型 对 比 由图 2看出， 改进后阀体流道明显增大 ， 阀瓣和 导流罩 曲线的曲率增大， 阀芯型值 曲线光滑连续 。 3 ． 2 改进前流阻系数验证 将 原结 构 的轴流 式止 回 阀按 J B ／ T 5 2 9 6 -- 1 9 9 1 通用 阀 门 流 量 系 数 和 流 阻 系 数 的试 验 方 法 规 定_ g ] ， 以 2种工况测试空气流过 阀门的速度和压差 A p， 按式 1 6 计算出试验工况下 的流阻系数， 试验 数据见 表 1 。 从表 1看出， 改进前试验 流阻系数 的平均值为 3 ． 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工设备 2 0 1 3 年第 4 2 卷 表 1 轴流式止回阀阀芯结构改进前流 阻系数 测试 试验 温度／流量 q ／ 测试压差流速 ／ 流阻 工况 介质 ℃t h A p ／ k P a m s 系数 1 空气 2 O 1 4 ． 2 3 6 3 9 ． 0 4 3 ． 0 6 3 ． 6 0 2 空气 2 0 1 6 ． O 1 6 4 7 ． 0 4 8 ． 4 8 3 ． 4 2 将 原结 构 阀 门的 结构 尺 寸 特 征 参 数 ， r 取 3 个关键 点 3 1 ． 2 ， 5 O ． 3 、 4 9 ． 8 ， 5 6 ． 2 、 1 6 O ， 2 0 ． 7 ， 代人式 1 1 ～式 1 6 ， 计 算 得 到 流 阻 系数 为 3 ． 5 0 。 对 比原结构 的试 验 测试 流 阻 系 数 和计 算 流 阻 系数 ， 误差 为 0 ． 3 ， 误 差 很小 。通 过试 验 验 证 说 明前 述 的分 析和 计算方 法合 理 、 正 确 。 3 ． 3 改进后流阻系数 按上 述 分析 方 法 改进 阀门结 构 ， 改进 后 阀门结 构 尺寸特 征参数 ， r 的 3个关 键点 的坐标 为 8 ． 6 ， 4 5 ． 5 、 3 4 ． 0 ， 3 5 ． 5 、 1 6 0 ， 9 ． 6 ， 将其 带入式 1 1 ～ 式 1 6 ， 计 算得 到结 构改进 后 的流阻 系数为 1 ． 6 5 。 3 ． 4 改进前后流阻系数对比分析 原结 构平 均流 阻系数 为 3 ． 5 1 ， 结构 改进 后 的流 阻系数为 1 ． 6 5 ， 流阻系数降低 了 4 7 。通过结构改 进 ， 明显降低了阀门流阻系数 ， 提高了流通能力。 4 结论 1 以降低边界层分离 ， 减小流阻系数 ， 采用源 汇法和数学解析法相结合的方法设计轴流式止 回阀 的阀芯线型 ， 利用等强度线源与直线均匀流叠加法 以及精 确数 学表 达法 ， 分析 推 导 了 阀芯 中阀瓣 和导 流罩 的表面 曲线 数学 表 达 式 ， 并 解析 推 导 了 轴 流式 止 回阀的流 阻系数 的计 算方 法 。 2 通过阀瓣和导流罩表面曲线数学方法设计 的阀芯表面结构 ， 增大了阀体流道流通面积 ， 阀瓣和 导流 罩 曲线 曲率 增大 ， 阀芯 型值 曲线光 滑连续 。 3 改 进前测 试 流 阻 系数 和 计 算 流 阻系 数误 差 为 0 ． 3 ， 说 明分析 和计算 方法 合理 、 正确 。 4 结构改进后的计算 流阻系数 降低 了 4 7 ， 说明改进设计后的阀芯线型更加符合流体的运动规 律 ， 能够明显降低阀门流阻系数 。 5 等强度线源与直线均匀流叠加法 以及精确 数学表达式法设计的阀芯结构符合轴流式止回阀的 流态特征， 研究结果为轴流式止回阀阀芯的线型设 计提供了理论分析和计算方法 。 参考文献 E 1 ] 李学飞．轴流式 止 回阀 阀瓣结 构分析 与设 计E J ] ．阀 门 ， 2 O i 1 2 5 - 7 ． L I X u e f e i ．D e s i g n o n Ax i a l F l o w C h e c k Va l v e [ J ] ． Va l ve， 2 011 2 5 - 7 ． [ 2 ] 王佳杰 ， 初宇 红．阀门密封 等级及 选用 [ J ] ． 化 工设备 与 管 道 ， 2 0 1 0 ， 4 7 1 6 4 6 9 ． W ANG J i a j i e 。CHU Yu h o n g ． Ra t i n g o f S e a l i n Va l v e a n d I t s S e l e c t i o n[ J ] ．P r o c e s s E q u i p me n t Pi p i n g ， 2 0 1 0 ， 4 7 1 6 4 6 9 ． [ 3 ] 赵加鹏 ， 石秀华 ， 杜向党．回转体 头部压力分布规律及 其转捩点 的影 响[ J ] ．计算 机仿真 ， 2 0 0 8 ， 2 5 1 2 4 2 45． ZHAO J i a p e n g ，S HI Xi u h u a ，DU Xi a n g d a n g ．Th e Pr e s s u r e Di s t r i bu t i on Rul e a nd I t s Ef f e c t on Tr a ns i t i o n a l P o i n t o f a He a d P a r t o f R e v o l u t i o n [ J ] ．C o mp u t e r Si mul a t i on， 2 00 8， 25 1 2 42 45 ． [ 4 ] 谭谨．绕 回转体边界层的理论分 析计算[ D] ．武汉 华 中科技大学 ， 2 0 0 4 ． TAN J i n ．Th e o r e t i c a l An a l y s i s a n d C o mp u t a t i o n o f Thi c k Bo und a r y La ye r a r o un d a Bo dy o f Re v o l u t i o n [ D] ． Wu h a n Hu a z h o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e Te c hn ol o gy， 2 0 04 ． [ 5 ] 杜月中 ， 闵键 ， 郭宇洲．流线型 回转体外形设 计综述与 线型拟合[ J ] ．声学技术 ， 2 0 0 4 ， 2 3 2 9 3 9 7 ． DU Yu e - z h o n g ，MI N J i a n ，GU0 Yu z h o u ．A Re v i e w a nd M a t h e ma t i c a l Fo r mul a t i o n o f S ha pe De s i g n o f S t r e a ml i n e d B o d i e s o f R e v o l u t i o n[ J ] ．T e c h n i c a l A c o u s t i c s ， 2 0 0 4， 2 3 2 9 3 - 9 7 ． [ 6 3 靳栓宝 ， 王永 生， 杨琼 方．无空化 雷头 设计 及 C F D性 能分析校验[ J ] ．鱼雷技术 ， 2 0 1 0 ， 1 8 1 1 - 5 ． J I N S h u a n - b a o ， W ANG Yo n g s h e n g，YANG Qi o n g f a ng ． De s i g n o f To r p e d o He a d wi t hou t Ca v i t a t i o n a nd Pe r f or ma n c e Ana l y s i s Ba s e d o n Co mpu t a t i o na l Fl ui d Dy n a mi c s r J ] ．T o r p e d o T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 ， 1 8 1 1 - 5 ． [ 7 ] 张宇文． 鱼雷总体设计 原理与方法 [ M] ．西 安 西北 工 业 大 学 出 版社 ， 1 9 9 8 ． ZH ANG Yu we n ． Tor pe d o Ge ne r a l De s i gn Pr i nc i p l e a n d Me t h o d [ M] ．Xi a n No r t h we s t e r n P o l y t e c h n i c a l Un i v e r s i t y P r e s s ， 1 9 9 8 ． [ 8 ] 陆培文．实用 阀门设计手册[ M] ．北京 机械工业 出版 社 ， 2 0 0 2 ． L U P e i we n ．P r a c t i c a l Va l v e D e s i g n Ma n u a l [ M] ． Be i j i n g Me c h a n i c a l I n d u s t r y P r e s s ， 2 0 0 2 ． [ 9 ] J B ／ T 5 2 9 6 -- 1 9 9 1 ， 通用 阀 门 流量 系数 和流 阻系数 的 试验方法[ s ] ． J B ／ T 5 2 9 6 1 9 9 1．Ge n e r a l Va l v e F l o w Re s i s t a n c e Co e f f i c i e n t a nd Te s t M e t ho d o f Fl ow Re s i s t a n c e Co e f f i c i e n t [ S ] ． 许 编 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m