垂直管线型先导式截止阀的阀芯运动过程数值分析

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垂直管线型先导式截止阀的阀芯运动过程数值分析

钱锦远1，朱银法2，刘步展1，卢安乐3，金志江1
(1.浙江大学化工机械研究所，浙江杭州310027; 2.丽水学院工学院，浙江丽水323000; 3.上海核工程研究设计院，上海200233)

摘要:提出了一种新型的可适用于垂直管线的先导式截止阀，其驱动能耗较低;通过分析阀芯的受力情况，建立了阀芯运动的控制方程;运用Fluent软件及用户自定义函数功能UDF对该阀在不同弹簧刚度下的运动过程中的冲击速度、阀芯稳定位移和瞬态位移进行了数值分析.结果表明:阀芯运动在不同的弹簧刚度下具有不同的开启方式，选取较小的弹簧刚度有助于阀门的快速响应，也能够保证阀门开启后的正常工作，但容易造成开启时候阀芯对阀芯顶盖的冲击碰撞;而随弹簧刚度增大，阀芯的稳定位移逐渐减小，如在转换点之后继续增大弹簧刚度将使得阀芯无法达到最大位移.此外，通过对0.9倍和1.1倍弹簧刚度理论计算值下的阀门开启过程进行瞬态模拟，发现数值模拟与理论计算可以相互印证，同时建议在实际弹簧刚度选取时，选取0.9倍的理论计算值作为实际设计点.研究可为该类先导式截止阀或类似结构截止阀的研究推广与应用提供一定的借鉴意义.

关键词:先导式截止阀;阀芯运动;垂直管线;弹簧刚度;瞬态模拟

钱锦远，朱银法，刘步展，等.垂直管线型先导式截止阀的阀芯运动过程数值分析［J］.排灌机械工程学报，2016，34(1):51－56，65.

QIAN Jinyuan，ZHU Yinfa，LIU Buzhan，et al.Transient simulation of valve core movement of pilot-control globe valve in vertical pipelines［J］.Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME)，2016，34(1):51－56，65.(in Chinese)

网络出版地址:http:/ /www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20160119.2024.010.html

钱锦远

阀门作为石油、化工和海洋船舶等行业不可缺少的流体控制元件，起着控制流体流向、压力和流量的作用.随着现代工业的日益发展，阀门的需求量不断增长.截止阀主要是指阀瓣沿阀座中心线移动的阀门，其启闭行程较短，切断性能可靠.然而目前大中型截止阀大多存在着机构复杂、驱动能耗大、反应时间慢和稳定性差等缺点.随着国家加强对工业节能的要求，截止阀的能耗问题日益突显.因此，开发驱动能耗更低、响应速度更快、结构更为简单的新型节能型截止阀十分迫切.

近些年，很多科研工作者在阀门的流动结构、动态特性等领域进行了较多的研究.如AMIRANTE等［1－2］对一种液压比例方向阀进行了试验与数值研究，分析了阀的流体动力与汽蚀现象，发现驱动力提升与汽蚀现象的提升是同步发生的; AUNG等［3－4］对一新型结构的伺服阀开展了流体能源消耗、阀体汽蚀等方面研究，提出的新结构具有一定的性能优势; LIU等［5－6］主要针对单向伺服阀开展了电磁力的研究，并提出了最佳的设计结构原则; JIN等［7］则对一款减温减压阀通过数值模拟，分析了孔板的作用对其进行了结构的改进; CHERN等［8－9］针对一般球阀，提出了一种新型阀罩的设计，并分析了阀罩对于阀门汽蚀现象的改善; SONG等［10－12］针对安全阀、蝶阀等开展了数值与试验相关研究，已取得了阀门不同结构特征参数下的阀体内的流动特性; SAHA等［13］分析了压力调节阀不同流动结构对于流动的影响.此外，李树勋等［14］、赵建华等［15］、陶国庆等［16］、郭崇志等［17］和XU等［18］也对不同种类和结构的阀门进行了瞬态分析，并取得了阀门的动态特性.

文中提出一种新型结构的先导式截止阀结构［19］，利用管路中流体自身的压力，通过一个先导阀(小阀门)控制主阀(大阀门)的启闭.由于其将启闭大阀门的能耗转为启闭小阀门的能耗，因此其具有驱动能耗低、响应速度快等优点.截至目前，张含等［20－21］对该结构的水平放置型先导式截止阀开展了动态特性的数值研究.然而，该结构只能适用于水平管线，极大限制了该类型截止阀的应用.基于此，文中改进设计一种新型的可适应垂直管线的先导式截止阀［22］，分析其在不同出口静压、阀芯小孔尺寸等情况下的阀芯上下表面的压差变化;主要针对弹簧刚度，通过对阀芯运动的动态数值分析，总结弹簧选型的指导性意见，为后期该结构或类似截止阀的研究推广与应用提供一定的设计建议.

1　适应垂直管线型先导式截止阀

图1　适应垂直管线型先导式截止阀结构示意图
Fig.1　Sketch of pilot－control globe valve in vertical pipelines

阀门基本工作原理如下:假定阀门首先处于关闭状态，即先导阀关闭;此时阀芯内外由于阀芯底部小孔的存在，阀芯上下端面的压力一致，因而阀芯在自重和弹簧预紧力的作用下与阀座闭合，从而阀门处于关闭状态.若此时打开先导阀，先导管连通，阀芯外部流体可通过小孔流入阀芯内部并通过先导阀进入阀体上腔.当流体通过小孔时，由于流动截面急剧收缩，阀芯内部流体的压强下降，在阀芯上下端面产生一个流体压差;当该压差足够大时，阀芯在压差力作用下向上运动，从而使得主阀开启.若此时关闭先导阀，先导管不通，然而流体继续流入阀芯内部，从而致使阀芯内部压强逐渐增大直至阀芯在自重与弹簧力作用下，回到阀座位置，进而使主阀关闭［19－20］.

基于以上原理，垂直管线型先导式截止阀相较传统驱动方式的截止阀，具有较多显著优势.首先，其降低了阀门的启闭能耗:该阀门通过先导阀(小阀门)的启闭来控制主阀(大阀门)的启闭，即用先导阀的驱动能耗代替了原本主阀的驱动能耗，节能效果明显;其次，该阀提高了启闭响应速度:以电力驱动的截止阀门为例，需要通过减速箱等传动装置将专用电动机的高速圆周运动转化为阀门启闭机构的低速直线运动，才能实现截止阀阀瓣的运动;而文中阀则可直接利用流体介质自身的压力推动阀芯做直线运动，实现快速的启闭.此外，相比以往庞大、复杂的阀门驱动装置，文中阀门的驱动结构简单可靠，减小了阀门整体的体积，同时也降低了阀门的整体制造成本.

2　数值模型

2.1　数学描述

为进一步研究该阀阀芯的运动状态，使用UDF程序定义阀芯的运动过程.首先需要通过分析阀芯受力情况，建立合理的阀芯运动学方程［21－22］.根据阀芯的受力情况，建立基于牛顿第二定律的运动方程，即

式中:m为阀芯质量，kg; K为弹簧刚度，N/m;Δp为阀芯底面上下的压差，Pa; S为阀芯的横截面面积，m2; y0为弹簧初始压缩量，m; y为运动过程的阀芯位移，m; f为阀芯运动中的阻尼系数，N·s/m.

对于特定阀门，弹簧初始压缩量、阀芯自重为定值，忽略阀芯阻力，式(1)可简化为

式中:C0为阀芯初始状态下的开启阻力.将连续的阀芯运动切分成若干个时间微元dt，每个时间微元的运动参数均受上一个时间微元的计算结果影响，由于时间微元很小，可以将时间微元内的阀芯运动作近似处理.在计算的初始阶段，阀芯处于静止状态，将此时作为第0个时间步.设定初始值后，在2个时间步长之间采集阀芯上下表面压强数据，进行迭代计算，可以得到下一个时间步长的运动参数.同时，由于阀芯运动受到阀座以及顶盖的限制，当阀芯移动到2个位置时，阀芯速度下降为0.因此阀芯加速度和速度迭代方程为

式中:a为阀芯加速度，m/s2; v为阀芯运动速度，m/ s; n为迭代步骤，量纲一; Y为阀门中的阀芯最大运动距离，25 mm.

2.2　计算模型

文中选取DN100的先导式截止阀流道进行建模，并导入到GAMBIT中，对流体流动区域进行混合网格划分.为了保证计算精度和节约计算时间，文中以压差作为考察量对其进行了网格独立性计算.其边界条件设置情况如下:先导式截止阀的入口、出口处分别采用压力入口和压力出口边界条件;基本方程采用N－S控制方程配合RNG k－ε模型，近壁面采用壁面函数法处理，方程采用有限体积法进行离散，对流项均用二阶迎风格式离散，离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法SIMPLE算法.流体采用20℃下的液态水.

2.3　弹簧理论分析

阀门开启过程中阀芯位移连续变化，具有多种不同的开启形式，但阀芯最终均会停留在一个平衡位置.依照“弹簧刚度－稳定位移”的计算方法，合理的弹簧刚度应使阀芯位置处于受力平衡状态［5－6］.此时，阀芯受力方程为

经过一段时间后，流场充分发展，阀芯的受力不再是关于时间t的函数.由于此位置处于阻力平方区，因此压差是关于流体速度平方的函数.针对处于全开状态下的阀门，将该式代入式(5)中，得

3　结果与讨论

3.1　阀芯冲击速度

在实际阀门的工作过程中，由于阀芯的运动与阀门内部流场的相互影响，其远比稳定状态下的情况复杂.文中通过瞬态模拟来研究阀芯的实际运动过程.文中选取该阀门口径DN100、先导管直径15 mm、阀芯小孔直径6 mm作为研究对象;设置阀门入口速度为2 m/s，弹簧刚度分别为1 700，2 500，3 000 N/m.通过记录的阀芯位移数值发现，当弹簧刚度K =1 700 N/m时，阀芯直接在压差力的作用下达到最大位移25 mm;当弹簧刚度K = 2 500 N/m时，阀芯虽然最终无法稳定在最大位移处，但在初始的上升过程中曾经达到最大位置;而当弹簧刚度K =3 000 N/m时，压差力不足以让阀芯达到最大位移25 mm，阀芯经过一段上下波动后，最终稳定在平衡位置.由此可知，当K = 1 700 N/m和K = 2 500 N/m时，阀芯最终停留在最大位移处或曾经达到过最大位移高度;换言之，阀芯与阀芯顶盖发生过碰撞.

针对弹簧刚度K =2 500 N/m时的阀芯速度进行进一步研究.阀芯速度随时间的变化曲线如图2所示.由图可知，刚开始阀芯的压差力大于阀芯自重和弹簧弹力，阀芯作向上的加速运动，在0.218 s时，阀芯速度达到最大值0.436 m/s，此时阀门位移为20.1 mm;此后，其受力方向改变，阀芯减速上升，直到阀芯到达最大位移点，即阀芯顶盖.冲击时阀芯的瞬态速度为0.321 m/s，然后降低为0，之后在阻力作用下，阀芯向下运动，经过一段波动后，阀芯稳定在平衡位置.

图2　K =2 500 N/m时阀芯速度－时间的变化曲线
Fig.2　Valve core speed versus curve time with K =2 500 N/m spring stiffness

由于冲击速度对于阀门结构造成冲击，比较容易引起阀门破坏.为研究不同弹簧刚度下对阀门开启时间和冲击速度的影响，文中选取了弹簧刚度为1 100，1 300，1 500和1 700 N/m的阀门进行瞬态模拟.在4种刚度下，阀芯均可以达到最大位移，阀门开启时间ts为从先导阀开启到阀芯到达最大位移处的时间，冲击速度vp为阀芯到达最大位移之前一个时间步的阀芯速度.其结果如表1所示.

表1　不同弹簧刚度下阀门的开启时间与冲击速度
Tab.1 Opening time and valve core impact speed under different spring stiffness

参数　K/(N·m－1)　ts/s　vp/(m·s－1)数值1 100　0.151　0.780 1 300　0.157　0.730 1 500　0.164　0.680 1 700　0.1720.620

从表1中可知，当弹簧刚度从1 700 N/m下降到1 100 N/m的过程中，阀门的开启时间变化相对较小，但是阀芯冲击速度从0.620 m/s增加到0.780 m/s.而考虑阀芯的运动范围为25 mm，该速度增量较为明显.因此，如果弹簧刚度选择过小，不仅不能明显提高阀门的开启特性，而且还会明显增大阀芯顶盖的冲击.

3.2　阀芯稳定位移

如前所述，弹簧刚度进一步增大，阀门开启时间也逐渐增大.当弹簧刚度增大到一定值后，阀门将无法达到全开状态;若再增大，甚至可能不能开启.由此可知，选取较小的弹簧刚度有助于阀门的快速响应，也能够保证阀门开启后的正常工作.然而，阀门弹簧刚度的选择并非越小越好，因为太小的弹簧高度容易造成开启时候阀芯对阀芯顶盖的冲击碰撞.此处主要分析阀芯最终的稳定位移、阀门开启特性与弹簧刚度之间的关系.

选用不同弹簧刚度，建立模型进行瞬态模拟，并采集阀芯在位置不再明显波动后的位移数据，如图3所示.从图中可以看出，当弹簧刚度较小时，阀芯稳定位移均为25 mm，即其处于顶盖位置，且此时还受到向上的力;而当弹簧刚度超过一定值(文中为1 700 N/m)之后，随弹簧刚度增大，阀芯的稳定位移逐渐减小.

图3　不同弹簧刚度下的阀芯稳定位移
Fig.3　Valve core steady displacement with different spring stiffness

3.3　阀芯瞬态位移

为了进一步研究不同进口速度情况下的阀芯瞬态位移，文中进行了阀芯瞬态位移研究.为验证弹簧刚度选型公式适用于不同入口流速下的阀门，结合式(7)，计算理论情况下的弹簧刚度，将设定值输入UDF文件进行瞬态模拟.

图4　流速v =2.0 m/s下阀芯的瞬态流场分布
Fig.4　Transient velocity distribution at 2.0 m/s fluid flow velocity

图5　不同流速下阀芯稳定后的流场分布
Fig.5　Velocity distribution when valve core is steady

由图5可知，在不同流动速度下，两者的流动具有相似性.其均会在阀芯底部形成较强的回流，这也是产生阀芯底部压差的重要原因.此外，图5也表明，在开启之后，流体主要通过主阀进行流动.

图6为不同入口速度下的阀芯位移运动情况.为便于对比，仅取阀芯位移大于0.02 m部分的图形.由图可知，弹簧刚度取理论弹簧刚度值的0.9倍时，阀芯稳定位移Y =25 mm;而弹簧刚度取理论弹簧刚度值的1.1倍时，阀芯处于波动开启状态.其与实际情况相符，进一步印证了数值模拟和理论计算的准确性.

图6　不同入口速度下的阀芯位移运动情况
Fig.6 Instant core displacement in opening at various fluid flow velocities

考虑到理论计算误差，在实际弹簧刚度选取时建议考虑选取0.9倍的理论计算值.对于工况条件较复杂、入口速度条件有可能出现较大波动的场合，该阀门弹簧应根据较低的入口速度条件进行选型以保证阀门的正常工作，以此保证能够正常开启.与此同时，也应注意在较高的入口速度条件下该阀门阀芯对限位装置产生的较大冲击.

不过值得注意的是，过小的弹簧刚度可能会影响到该阀门的关闭特性，尤其是在关闭状态时的密封状况.

4　结论

文中分析了阀芯的受力情况，建立阀芯运动方程，针对阀门的开启过程进行了瞬态模拟，得到如下结论:

1)在不同的弹簧刚度下，阀门可能直接达到全开状态，或经过波动后稳定在一个低于阀芯最大位移的平衡位置，或最初向上运动到最大位移并与阀芯顶盖产生冲击，然后稳定在一个平衡位置.虽然选取较小的弹簧刚度有助于阀门的快速响应，也能够保证阀门开启后的正常工作，但是阀门弹簧刚度的选择并非越小越好，因为太小的弹簧高度容易造成开启时候阀芯对阀芯顶盖的冲击碰撞.

2)通过分析阀芯的稳定位移，可以看出随弹簧刚度增大，阀芯的稳定位移逐渐减小，其中间存在一个转换点.

3)通过对不同流速下流场的分析，可以得出阀门内部流场具有相似性，在阀芯稳定时候，阀芯底部仍然存在较大的逆流，这也是产生压差的原因，且在开启状态下，流体主要通过主阀流动;此外，通过对0.9倍和1.1倍的理论计算弹簧刚度下的阀门开启过程进行瞬态模拟，数值计算与理论计算相互印证，并建议在实际弹簧刚度选取时考虑选取0.9倍的计算值.

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(责任编辑　谈国鹏)

Transient simulation of valve core movement of pilot-control globe valve in vertical pipelines

QIAN Jinyuan1，ZHU Yinfa2，LIU Buzhan1，LU Anle3，JIN Zhijiang1
(1.Institute of Process Equipment，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang 310027，China; 2.Engineering and Design Institute，Lishui University，Lishui，Zhejiang 323000，China; 3.Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai 200233，China)

Abstract:A novel pilot-control globe valve，which can be used in vertical pipelines with a lower driving energy consumption，is proposed.A governing equation for valve core motion is obtained through a theoretical analysis of the forces applied on the valve core.A 3D simulation of valve core motion is conducted in Fluent by using User Defined Function(UDF)to involve different spring stiffness，steady state displacements，impact speeds and transient state displacements.The results show that there are different opening modes for different spring stiffness.For smaller spring stiffness，the valve is subject to a quicker response to flow to ensure it can work properly; however，this can more easily result in abook=52,ebook=57higher impact speed.With the increasing of spring stiffness，the steady displacement of the core reduces especially beyond a turning point.Besides，the numerical transient displacements with 0.9 and 1.1 times the spring stiffness show good agreement with those obtained from a theoretical analysis.It is found out that the real spring design point should have 0.9 times the spring stiffness determined by the theoretical analysis.This paper provides a reference for designing and application of pilot-control globe valves or other valves with similar structures.

Key words:pilot-control globe valve; valve core movement; vertical pipeline; spring stiffness; transient simulation

作者简介:钱锦远(1988—)，男，浙江慈溪人，博士研究生(qianjy@ zju.edu.cn)，主要从事阀门设计研究.金志江(1966—)，男，浙江绍兴人，教授，博士生导师(通信作者，jzj@ zju.edu.cn)，主要从事高效节能装备研究.

基金项目:浙江省重大科技专项(2012C11018－1);浙江省重点科技创新团队项目(2011R50005)

收稿日期:2015－09－17;网络出版时间:2016－01－19

doi:10.3969/j.issn.1674－8530.15.0206

中图分类号:S277.9; TQ055.8

文献标志码:A

文章编号:1674－8530(2016)01－0051－06