□ 张龙奎 □ 王亚青 □ 王春雷 □ 刘亚陆 □ 谢 军
1.中国石油渤海装备制造有限公司兰州石油化工装备分公司 兰州 730060 2.甘肃省炼化特种装备工程技术研究中心 兰州 730060
调节滑阀的流量特性影响着整个调节系统的性能,因此其流量特性非常重要。调节阀的流量特性是指阀前后压差保持不变时,介质通过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的关系。调节阀的流量特性有快开、直线、等百分比、抛物线四种,由于在实际应用中调节阀流量特性会发生畸变,等百分比流量特性使额定行程的等量增加会理想地产生流量系数等百分比的改变,因此多采用等百分比流量特性。
等百分比流量特性指阀口每单位相对开度变化所引起的相对流量变化与相对流量成正比的关系,即调节阀的放大因数随着流量的变化而变化
借助ANSYS软件中计算流体动力学仿真试验方法,采用Pro/E三维软件建立冷壁单动滑阀三维实体模型,将三维实体模型导入ANSYS Workbench仿真软件,反向建模生成冷壁单动滑阀内流道模型,进行网格划分,导入CFX流场分析软件,以连续性方程、三维雷诺平均纳维-斯托克斯方程和标准k-ε双方程为控制方程组,采用有限体积法进行离散,对冷壁单动滑阀内部流场进行仿真分析。
依据 GB/T 30832—2014《阀门 流量系数和流阻系数试验方法》中对流通能力试验的规定,计算冷壁单动滑阀在全开条件下的额定流量系数Cv,并模拟计算冷壁单动滑阀不同开度下的流量值,拟合冷壁单动滑阀的流量特性曲线。根据冷壁单动滑阀的实际工况,选取5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%开度对冷壁单动滑阀进行实际工况下的流场模拟计算,得到冷壁单动滑阀不同额定行程的内部流场信息,通过对不同额定行程流动性能的分析研究,为冷壁单动滑阀的设计、优化、选型提供一定参考。
根据GB/T 30832—2014,对以水为介质的阀门、管道过滤器等产品的流量压力损失、流量系数、流阻系数进行试验,被试验产品的流阻系数大于0.1。
笔者以DN650冷壁单动滑阀为例进行试验,试验介质为常温水,流阻系数ζ为:
(1)
式中:ΔPv为被试验阀门的压差,kPa,试验给定为100 kPa;v为试验管道内的流速,m/s,分析可得管道内平均流速为4.1 m/s;ρ为水的密度,kg/m3,5～38 ℃时为1 000 kg/m3。
取冷壁单动滑阀全开时的平均流速,计算可得滑阀的流阻系数为11.8,大于0.1,符合标准要求。
根据冷壁单动滑阀结构特点,选择GB/T 30832—2014中的直通式典型试验系统布置。这一试验系统布置如图1所示。
▲图1 直通式连接试验阀门典型试验系统布置
图1中,L1为用于测量试验阀门连接管道自身的流量压差测量管段长度,L2、L3为试验阀门上下游连接管道取压点管段长度,L4为试验阀门下游取压点后直管段长度,L5为管道取压点前直管段长度。
建立DN650冷壁单动滑阀的流道模型,如图2所示。DN650冷壁单动滑阀装配如图3所示,基于反向建模抽离的DN650冷壁单动滑阀流道局部如图4所示,DN650冷壁单动滑阀流道四面体网格划分如图5所示。
▲图2 DN650冷壁单动滑阀流道模型▲图3 DN650冷壁单动滑阀装配
▲图4 DN650冷壁单动滑阀流道局部▲图5 DN650冷壁单动滑阀流道四面体网格划分
通过ANSYS软件计算,得到DN650冷壁单动滑阀在不同开度下的速度云图,如图6所示。
▲图6 不同开度下DN650冷壁单动滑阀速度云图
由图6可见,在开度逐渐增大的过程中,速度也逐渐增大,高速区域速度为20 m/s左右,且集中于阀体中心,在近壁面处速度最小。在30%到90%开度内,阀体靠近阀盖一侧的阀体下端会形成涡流。
冷壁单动滑阀开度面积与行程有一定的对应关系,DN650冷壁单动滑阀阀口形状为圆方形,如图7所示,开度面积F为:
▲图7 DN650冷壁单动滑阀阀口形状▲图8 DN650冷壁单动滑阀开度面积与行程关系曲线▲图9 DN650冷壁单动滑阀流量特性曲线
F={πR2arccos[(R-S)/R]}/180
(2)
F=πR2/2+2R(S-R)S>R
(3)
DN650冷壁单动滑阀全开时面积为96 800 mm2。
在已知冷壁单动滑阀阀开口形状的前提下,可以得出阀杆在不同行程下与开度面积的关系曲线。根据式(2)、式(3)绘制DN650冷壁单动滑阀开度面积和行程的关系曲线,如图8所示。由于在小开度面积时滑阀的调节性能非常差,并且实际使用中滑阀两端的压差随着开度面积的变化而变化,所以开度在30%～80%时流量调节性能最好。
应用ANSYS软件后处理模块测算介质流速,根据Cv计算式,求得DN650冷壁单动滑阀流量特性曲线,如图9所示。
Cv=1.156Kv
(4)
(5)
Q=V0A
(6)
式中:Kv为阀门流量系数,以5～40 ℃温度范围的水流经阀门,两端压差为100 kPa,水的单位以m3/h计的流量数值;Q为介质流量,m3/h;ρ0为15 ℃时水的密度,kg/m3;V0为介质流速,m/h;A为冷壁单动滑阀出口处接管面积,m2。
基于ANSYS仿真模拟软件,对冷壁单动滑阀圆方形阀口的流量系数进行计算,获得冷壁单动滑阀流量系数及其变化规律。冷壁单动滑阀开度较小时,流量系数增大比较平缓,流量变化小。
随着开度的增大,流量系数呈现线性变化,流量变化大。当开度达到90%时,流量系数增大趋于平缓。
综合考虑冷壁单动滑阀开度面积与行程的变化规律形状、Cv与开度的变化规律,以及冷壁单动滑阀开度在30%～80%之间时调节性等百分比变化,在实际操作冷壁单动滑阀时,应当保证开度在30%～80%范围内。
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