Advances in Energy and Power Engineering 电力与能源进展, 2013, 1, 94-99 http://dx.doi.org/10.12677/aepe.2013.12016 Published Online June 2013 (http://www.hanspub.org/journal/aepe.html) Numerical Simulation and Structure Optimization of the Minimum Flow Valve Zhenzhen Liu1, Jin Jiang1, Na Zhang2, Lisheng Zhang1, Ya nhui Li1 1School of Power and Machine, Wuhan University, Wuhan 2Wuhan Boiler Group Valve CO., Ltd., Wuhan Email: 740888546@qq.com Received: Mar. 19th, 2013; revised: Apr. 22nd, 2013; accepted: May 6th, 2013 Copyright © 2013 Zhenzhen Liu et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: Based on three-dimensional numerical simulation results, the minimum flow valve is studied under different opening level. The flow inside the valve was controlled by the Reynolds averaged Navier-Stokes equations together with the continuity equation. The RNG k-epsilon turbulence model was selected to govern the turbulence characteristics. Pressure and velocity distributions in the flow fields were obtained and analyzed under every opening level. The varia- tion curves of the loss coefficient and the flow rate along with the opening level were obtained to study the valve per- formance. The location where the major pressure loss happening was found by analyzing the pressure distribution. Then, the improvement method was proposed. The results of the valve with the new structure show that the pressure loss is decreased and the impaction of the fluid to the valve is alleviated. Keywords: Minimum Flow Valve; Numerical Simulation; Structure Optimization 最小流量阀的数值分析及结构优化 刘贞贞 1,蒋 劲1,张 娜2,张立胜 1,李燕辉 1 1武汉大学动力与机械学院,武汉 2武汉锅炉集团阀门有限责任公司,武汉 Email: 740888546@qq.com 收稿日期:2013 年3月19 日;修回日期:2013年4月22日;录用日期:2013 年5月6日 摘 要:对最小流量阀在不同开度下进行了三维数值模拟研究。采用 RNG k-epsilon湍流模型封闭 N-S 方程组 以求解阀门内部流场,得到了 各个开 度下的 阀门压 力和流 速的分 布情况 。根据 阀门的 损失系 数和流 量随开 度的 变化曲线,研究了阀门的特性 。通过 对压力 分析确 定了主 要压力 损失发 生的部 位,并 提出改 进方案 。结果 表明 改进后的阀门,其压力损失得到明显的降低,流体对阀门的冲击也得到明显改善。 关键词:最小流量阀;数值模拟;结构优化 1. 引言 最小流量阀是电站锅炉给水旁路系统的重要流 量控制部件,当锅炉给水泵输出流量减少到最小额定 流量时,最小流量阀立即自动开启,将超出部分的流 量分流到除氧器(或冷凝器),从而使给水泵在可靠的 条件下运行,保护了给水泵的安全运行,同时将余热 循环利用,可有效的节约能源[1]。 对于最小流量阀的研究,许多学者对流量特性与 控制性能之间的关系进行了研究。张雨润按控制系统 运行时所需要的工作特性导出阀门的固有流量特性, Copyright © 2013 Hanspub 94 最小流量阀的数值分析及结构优化 并取阀门运行在低压降比下设计得到的新流量特性, 达到了确保调节品质,提高生产效率又降低能耗的目 的[2]。徐锡年根据实际需要,探讨调节阀流量特性及 放大系数的四种表达形式,讨论干扰作用下的线性、 对数、快开流量特性调节阀的变化规律,论证求取干 扰作用下对象放大系数 K-P 变化规律的可行性以及对 常用理论选用方法的适用性[3]。此外,还有一些学者 对最小流量阀的选型以及结构设计进行了研究,探索 了最小流量阀寿命短、漏流量大的原因以及选型原 则。然而,对阀门内部流动细节与其外特性之间关系 的研究较少。数值模拟能够有效预测阀门的外特性, 并获得丰富的内部流场信息。因此本文通过建立物理 模型并进行数值模拟,对流体在流道中的压力和速度 分布情况进行分析,并针对压力损失的所产生的主要 部位,提出相应的改进方案。 2. 物理模型与网格划分 最小流量阀是电站中运行工况最为恶劣的几种 调节阀之一[4-6]。它用于保证泵的安全,工作原理如下: 最小流量阀是三通流开式阀门,高压给水通过阀门入 口进入阀体,阀芯利用浮子流量计原理测量主流量的 大小。阀芯在高压给水推动下发生位移,并带动旁路 阀杆同向移动,开启或关闭旁路。当主流量小于设定 值时,在弹簧的作用下,旁路处于开启状态,给水回 到除氧器,完成旁路循环过程。旁路阀在结构上设计 成具有减压、流量调节的通道,经过减压后基本达到 除氧器的压力,从而保护了除氧器的正常运行。当给 水泵流量大于最小流量时,阀芯完全向左移动,带动 阀杆关闭旁路。当给水泵突然停止时,高压给水倒流 强迫阀芯向左移动,起到了逆止阀的功能[7]。 该阀为迷宫盘片层叠式阀门,具有特殊、复杂结 构的盘片,阀体结构见图 1(a),阀门全开时阀体升程 为55 mm,盘片堆叠后厚度为55 mm。它利用多个盘 片上的小通道、流道截面突变、多级90 度拐弯进行 续步降压,每一个盘片通道都固定在阀芯内,无论阀 门开度多少,高压给水通过每个通道都是限制在一定 速度以下[8],盘片结构如图 1(b)。 采用 Gambit 软件进行网格划分时,中间盘片的 部位由于是本文研究的主要区域所以需要进行网格 加密,用节点间距 0.4 划分四面体体网格,在其他部 位用节点间距为 3划分网格,详见图2。 3. 算法及边界条件 最小流量阀内部的流动可视为定常不可压缩流 动,控制方程可用连续方程(1)和雷诺平均N-S 方程(2) (a) 阀体结构 (b) 盘片结构 Figure 1. Sketch of valve and disc 图1. 阀体和盘片结构图 Figure 2. Mesh details 图2. 网格细节 Copyright © 2013 Hanspub 95 最小流量阀的数值分析及结构优化 Copyright © 2013 Hanspub 96 来描述。由于标准 k-epsilon 模型用于强旋转流或带有 弯曲壁面流动时会出现失真,而RNG k-epsilon模型 通过修正湍动粘性系数和在 epsilon 方程中增加了反 映主流的时均应变率,考虑了平均流动中的旋转及旋 流流动情况,因此可更好地处理高应变率及流线弯曲 程度较大的流动问题。因此,本报告采用 RNG k- epsilon 模型方程(3) 和(4)来封闭雷诺平均 N-S 方程。 0 i i u x (1) ji ij ti iij uup uu f xxx i x (2) ikeffk ijj k ku G xxx (3) 2 1 2ieff k ijj C uGC x xxk k (4) 上式中,xi(i = 1,2,3)为笛卡尔坐标系坐标;ui(i = 1,2,3) 为沿 i方向的速度分量(下文中三个坐标方向的速度 分别用 vx, vy, vz表示);fi(i = 1,2,3)为沿 i方向的质量力; k为紊动能;ε为紊动能耗散率;p为压力;ρ为水的 密度;G为紊动能生成率,μ为水的运动粘性系数;μt 为涡粘性系数,具体计算公式如下: j ii t j ij u uu G x xx , 2 t k C ; eff t ,1.393 k , , 0.0845c 3 11 0 11CC , , 11.42C 21.68C ;2ij ij EEk ,1 2 j i ij ji u u E x x , 04.377 ,0.012 。 最小流量阀中的介质是104℃的水,粘度为 2.831968e −7 m2/s,密度为 956.3347 kg/m3;采用压力 进出口边界条件,进口总压为16.825 Mpa,出口总压 为2 Mpa。各个工况以残差低于 作为收敛标准。本 文的模拟工作由ANSYS FLUENT 12.1 软件实现。 4 10 4. 计算结果分析 由于阀门压力损失集中在盘片流道上,所以选取 盘片截面来展示结果,以下是开阀行程分别为 5 mm、 30 mm、55 mm(也即开度分别为9.09%、54.54%、100%) 阀门前后压差为 14.825 Mpa时的压力云图和速度云 图。 4.1. 压力和速度分析 从各个开度相同压差时的压力(图3)分布中可以 看出,不同开度下阀门压力损失部位几乎相同,均处 于层状盘片处,而盘片中压力梯度较大的位置在其进 口端前三分之一处,因此压力损失也主要发生在此部 分。 从最大工作压力差时各开度的速度分布(图4)可 以得出:不同开度时盘片出口流速基本相同,但是, 小开度时由于盘片数量小,对上下盘片流出流体影 (a) (b) Figure 3. Pressure distribution: (a) Opening level 9.09%; (b) Opening level 100% 图3. 压力云图:(a) 开度为9.09%;(b) 开度为 100% 最小流量阀的数值分析及结构优化 (a) (b) Figure 4. Velocity distribution: (a) Opening level 9.09%; (b) Opening level 100% 图4. 速度云图:(a) 开度为9.09%;(b) 开度为 100% 响较小,所以小开度时流体呈喷射状射出后,在出口 流道中心形成较小的漩涡。而大开度工况下,尽管流 体喷射速度与小开度下相同,但是由于上下各层之间 混合流动影响较大,所以在出口流道处不能形成小开 度时那样的远距离喷射,在中心处产生漩涡,而是喷 出后很快被上下层流体(主要是上层流体)冲击改变初 始速度,所以开度越大出口流道处的对冲效果越差。 阀门内部流速最大的区域在盘片进口端的小流 道处。计算结果显示,在压力差为 14.825 Mpa 时,最 大流速被控制在90 m/s 以下,且不同开度下的最大速 度和盘片内的流速分布几乎相同。由此可以推测,在 其他压力差下不同开度时,盘片流道内部的流速也是 处于一定的可计算范围内,并且可以根据改变流道形 状来控制最大流速,以保证阀门的安全性。 4.2. 阀门的性能曲线 通过计算获得阀门在不同开度下的流量系数与 阀门损失系数并进行作图(图5)。从图 5中可以看出, 随着开度的增大,体积流量逐渐增大,阀门的流量系 数也逐渐增大,而且呈线性增加,故该阀门线性度很 好。从图 6中可以看出,随着开度的增大,阀门的损 失系数逐渐降低,但是即使是在全开的情况下阀门的 损失系数也在1000 左右,因此该阀门的能耗很高。 5. 改进方案与改进结果对比 5.1. 改进方案 为了平衡压力,在盘片如图 7所示处加上槽深为 Figure 5. Flow rate coefficient vs. opening level 图5. 阀门流量系数随开度的变化 Figure 6. Loss coefficient vs. opening level 图6. 阀门损失系数随开度的变化 1.5 mm厚的连接槽。 5.2. 改进结果对比 以同样的方法进行网格划分和流场计算得到的 Copyright © 2013 Hanspub 97 最小流量阀的数值分析及结构优化 Figure 7. Improved structure of the disc 图7. 改进后的盘片结构 压力云图(图8和9)和速度云图(图10 和11 )对比如下。 通过加连接槽和不加连接槽的压力云图(图8和9) 的对比可以看出,相同之处是它们的压力损失部位几 乎相同,都处于层状盘片处,而盘片中压力梯度最大 的也是位于其进口端前三分之一段,因此压力损失也 主要发生在此部分。不同之处在于加上连接槽之后, 与连接槽接触的部分压力变小,因此该连接槽可以使 压力得到缓解。 通过加连接槽和不加连接槽的速度云图(图10 和 11)的对比可以看出,它们的相同之处在于在开度较小 的时候,小开度时由于盘片数量小,上下盘片流出流 体影响较小,所以小开度时流体呈喷射状射出后,在 出口流道中心形成较小的漩涡。而大开度工况下,尽 管流体喷射速度与小开度下相同,但是由于上下各层 之间混合流动影响较大,所以在出口流道处不能形成 小开度时那样的远距离喷射,从而在中心处产生漩 涡,而是喷出后很快被上下层流体(主要是上层流体) Figure 8. Comparison of pressure distribution (opening level 9.09%) 图8. 压力云图对比(开度为9.09%) Figure 9. Comparison of pressure distribution (opening level 100%) 图9. 压力云图对比(开度为100%) Copyright © 2013 Hanspub 98 最小流量阀的数值分析及结构优化 Figure 10. Comparison of velocity distribution (opening level 9.09%) 图10. 速度云图对比(开度为9.09%) Figure 11. Comparison of velocity distribution (opening level 100%) 图11. 速度云图对比(开度为100%) 冲击改变初始速度,所以开度越大出口流道处的对冲 效果越差。它们的不同之处在于加连接槽之后,最大 流速减小(从速度云图可以看出),而在相同开度下加 连接槽后流量几乎没有变化(通过查看进出口流量可 以得到),所以加连接槽后流速变得更加均匀,这样可 以减小对壁面的冲击和对阀门的损坏。 6. 结论 1) 随着开度的变化,该最小流量阀的压力损失均 集中在进口盘片的三分之一处。 2) 随着开度的增大,受上下层流体的影响,在中 心处由流体喷射产生的漩涡越来越不明显。 3) 该种阀门能耗较高,但线性度较好。 4) 加连接槽改进过后,可以使与连接槽接触的盘 片部位的压力得到缓解。此外,加连接槽后在各个开 下流量与之前相比几乎不变,但是最大流速减小, 从而减少对阀门壁面的冲击和损坏。 参考文献 (References) 度 [1] 蒋旭平, 王海民, 钟方胜, 陈明涛. 迷宫式最小流量阀的流动 特性研究[J]. 流体机械, 2009, 37(5): 9-12. [2] 张雨润, 陈意秋. 调节阀流量特性探索[J]. 阀门, 1997, 3: 15- 19. [3] 徐锡年, 孙华蔬, 彭宇宇等. 调节阀流量特性理论选用方法 和研究[J]. 炼油化工自动化, 1992, 2: 51-59. [4] 郑建农, 孙叶柱. 进口电站阀门选型分析[J]. 热力发电, 2007, 36(2): 83-84. [5] 贾青, 陶正良. 从 对我国电站调节阀的调研看其现状及发展 前景[J]. 水利电力机械, 2005, 27(1): 8-10. [6] V. B. Kakuzin. Experience in operating the water-injection sys- tem control valves at power station boilers. Thermal Engineering, 2002, 49(4): 300-305. [7] 阎志敏. 给水泵再循环调节阀的设计与控制[J]. 发电设备, 2008, 23(4): 332-334. 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