两种氨用截止阀内部流场数值模拟的对比

　　氨用截止阀是氨系统中的重要部件，现广泛应用于食品、化工、医药、水利等氨系统中。由于阀门流道的内部结构复杂，当流体通过法道时产生诸如漩涡、水锤和死水区等水流现象。这些现象严重危害系统工况，是造成系统水头损失的主要因素。目前国内对各类阀门尤其是氨阀流道流动特性的研究尚未引起重视，在设计中基本上还是依据常规设计方法和经验，只注重结构形式而不注重考虑压力损失，从而引起较大的能耗，在实际氨系统中，阀门的流道压力损失占整个系统的压力损失的比例是相当大的。本文运用COSMOSFLOWORKS流体分析软件，对两种结构的氨用截止阀的压力损失进行数值模拟对比分析。

　　流程分析

　　1、设定分析项目

　　以DN40氨用截止阀为例，设内部流动的介质为水，依据JB/T5296-91的有关规定，选择流动模型为单向流体的不可压缩粘性流动，无气穴现象，端墙设置为绝热壁，采用不可压缩流动的雷诺方程组与K-ε构成封闭的分析模型。图1为两种结构的氨阀二维平面对比图。

　　2、建模

　　CFD分析属于大型数值问题求解，为了缩短求解时间，模型应尽可能简化。由于氨阀门的工况要求，介质由阀门右端进入阀门，左端流出阀门，所以我们设阀门右端为进口，左端为出口，又由于阀后流体的流动比较复杂，为了避免出口界面上产生涡流并使计算结果收敛，阀前延伸管道长度取管道直径的五倍，阀后延伸管道取管道直径的十倍，建模结果如图2、图3所示。

　　3、两种氨阀流道模型及网格划分

　　为保证流体的稳定流畅性，从进口到出口，通过内部流道组成分析用的封闭区域。网格划分采用了非结构混合网格技术，利用COSMOSFLOWORKS的网格划分功能对其进行网格划分，采用自适应的网格技术对流场进行模拟。

　　4、运行设置向导

　　COSMOSFLOWORKS对于初始条件的设置提供了非常简捷快速的操作界面。首先运行设置向导，依次对units(单位制)—>Fluid type(流体或汽体)—>physical features(层流)—>Analysis—>roughness(表面粗糙度)—>select fluids(选择water SP，表示流体为一个标准大气压力下的水)—>default wall conditions(一般选绝热壁)—>Result and Geometry Resolution(设置结果和几何精度)。

　　5、边界条件

　　要对氨阀进行流场数值模拟，首先需要设定氨阀的边界条件，主要包括入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件等。

　　入口边界条件：选择流体入口的流量作为氨阀的入口流量。

　　出口边界条件：选择流体的出口压力作为氨阀介质的出口边界条件。

　　壁面边界条件：选取为粘性流动，采用壁面无滑移条件。针对粘性底层和过渡层采用壁面函数法求解。

　　6、计算右键单击配置名，选择“Run”，就可以由系统开始计算，计算过程可以通过各种图片进行实时监视。

　　结果分析对比

　　经过COSMOSFLOWORKS模拟计算，在相同的边界条件下，两种结构的氨用截止阀的结果对比如表1和表2所示。

　　从表3可以看出，在出口静压和进口流量相同的情况下，图2结构的进出口静压差为99503Pa，而图3结构的进出口静压差为55576Pa，图2结构是图3结构的1.79倍，也就是说在相同的边界条件下，图2结构的压力损失是图3结果的1.79倍。

　　图4是COSMOSFLOWORKS模拟的两种结构的压力云图对比，通过对比可以看出，两种结构的进出口已达到平压状态，通过颜色对比也可以看出，两种结构出口处颜色一致，而进口处，图2结构的颜色和图3结构不相同，通过对比右边色彩与压力值柱状图可以看出，要达到相同的出口压力，图2结构比图3结构需要更大的进口压力。

　　变换边界条件

　　设入口边界条件为入口压力已知，出口边界条件为出口流量已知，再次进行计算，结果如表4、表5所示。

　　从表6可以看出，在进口静压和出口流量相同的情况下，图2结构的进出口静压差为115525Pa，而图3结构的进出口静压差为56100Pa，图2结构是图3结构的2.05倍，也就是说在相同的边界条件下，图2结构的压力损失是图3结构的2.05倍。

　　说明

　　由于条件有限，我们未对两种结构的阀门进行相应的流体实验，所以没有具体的实验结果，但由于我们模拟采用理想模型、理想条件，所以实际的实验结果一定与我们模拟结果有所区别，但这并不会影响我们判断两种结构在特定条件下流畅能力方面的优劣。

　　结论

　　1、通过对比，我们可以看出，若介质从阀门右端进左端出的情况下，图3结构的流通能力要优于图2结构。

　　2、我们可以利用类似的流场数值模拟仿真分析对比验证氨阀产品的性能并进行优化设计。

　　3、借助COSMOSFLOWORKS可以提高设计效率，缩短阀门产品的研发周期，从而提升产品的市场竞争力。