上海交通大学学报

上海交通大学学报, 2021, 55(S2): 110-118 doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.S2.018

升降式止回阀动态特性分析与改进

金戈,, 范珉, 周振栋, 谭勇, 钟小波

中核核电运行管理有限公司,浙江 海盐 314300

Analysis and Improvement of Dynamic Characteristics of Lift Check Valves

JIN Ge,, FAN Min, ZHOU Zhendong, TAN Yong, ZHONG Xiaobo

CNNP Nuclear Power Operations Management Co., Ltd., Haiyan 314300, Zhejiang, China

责任编辑: 蒋霞

收稿日期: 2021-10-20  

Received: 2021-10-20  

作者简介 About authors

金戈(1985-),男,浙江省嘉兴市人,高级工程师,现从事核电厂技术管理工作.电话(Tel.):13666791031;E-mail:jing@cnnp.com.cn

摘要

针对升降式止回阀不能回落至正常位置的问题,用PumpLinx软件对开启和回落过程进行非定常流动的数值模拟,并对阀体结构进行改进设计,获得原型和改进型止回阀的动态响应和内部流场分布.结果表明:与原型止回阀相比,改进型止回阀在动态开启和小间隙回落时间显著缩短,均减少了50%以上.改进型止回阀增开的4个导流槽在动态开启时能及时将阀芯受挤压流体排出,在回落时能及时进行流体补充,从而使其所受流体力较小且脉动性有所降低,流速振荡减弱,阀芯在动态过程中不易发生偏斜.该改进型止回阀能使流动稳定性有所改善,有效解决止回阀不能正常回落的问题.

关键词： 升降式止回阀; 开启过程; 小间隙回落过程; 动态特性; 数值模拟

Abstract

Aimed at the problem that lift check valves cannot fall back to the normal position, the dynamic simulation of unsteady flow in the process of opening and falling back are conducted by using PumpLinx, and the structure of the valve body is proposed and improved. The dynamic response and internal flow field distribution of the prototype and the improved check valves are obtained. The results show that the dynamic opening time and small gap falling time of the improved check valve are significantly reduced by more than 50% compared with those of the prototype. The four additional guide grooves of the improved check valve can promptly discharge the squeezed fluid from the valve core during dynamic opening, and can promptly supplement the fluid when it falls back, so that the fluid force, the pulsation, and the velocity oscillation are weakened, which can make the valve core stable without easy deflection in the dynamic process. Therefore, the check valve proposed can improve the flow stability and solve the problem that the check valve cannot fall back normally.

Keywords： lift check valve; opening process; small gap falling process; dynamic characteristics; numerical simulation

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本文引用格式

金戈, 范珉, 周振栋, 谭勇, 钟小波. 升降式止回阀动态特性分析与改进[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(S2): 110-118 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.S2.018

JIN Ge, FAN Min, ZHOU Zhendong, TAN Yong, ZHONG Xiaobo. Analysis and Improvement of Dynamic Characteristics of Lift Check Valves[J]. Journal of shanghai Jiaotong University, 2021, 55(S2): 110-118 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.S2.018

止回阀在水电站、核电站、大型泵等管道中应用广泛,其作用是保证管路中的介质定向流动而不致倒流[1].止回阀按照结构可划分为升降式止回阀、旋启式止回阀和蝶式止回阀[2,3].当阀芯所受流体作用力大于弹簧力时,阀芯开启,在开启过程中阀芯受力不平衡,容易产生振荡现象[4,5];反之阀门关闭时,关闭所需时间以及完全关闭时阀芯的速度直接关系到阀门的稳定性.这些问题给管路系统和维护带来诸多不便.

20世纪50年代初,国外就开始研究止回阀.随着技术不断成熟,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)可用于描述通道内流体的流动特征,为阀门结构的优化提供依据[6,7].Borghi等[8]对不同开启状态下的阀进行稳态的数值模拟,得到阀门不同开度下压力和速度的分布,从而计算出阀瓣的稳态液动力.Till等[9]用CFD技术分析阀在不同边界条件下同一截面的压力和速度分布,并根据研究结果对阀门的结构进行了优化改进.国内对止回阀的研究起步较国外晚,陈五星等[10]选用CFD软件计算阀门在不同开启位置时的阀门阻力系数、阀板所受合力矩等参数,同时试验验证仿真计算提出的解决方案是有效的.冯章俊[11]采用数值模拟的方法对两种改进后的止回阀内部流动进行计算,分析了阻力系数、流量特性和阀头受力,并根据结果对止回阀进行了结构优化.王安麟等[12]采用计算流体动力学方法对液压滑阀进行了动态模拟,并提供了优化设计的思路.

随着对止回阀的重视程度提高,国内外学者对各类阀门内的复杂流动特性进行了广泛的研究.大多数研究是在特定阀门开度的工况下进行定常模拟,而阀门的启闭是典型的瞬间过程.在此过程中,因为阀门内部流动参数变化剧烈且难以测量,对阀门乃至相关联管路造成了不同程度的影响,所以一般通过动网格处理流动区域[13].由于在Fluent中用户自定义函数(UDF)的编写、网格更新方式选择等十分复杂,故可选择专为泵阀模拟设计的PumpLinx进行计算.该软件有专业模板可套用,且不少有关阀门瞬态启闭过程的既往研究可以借鉴.例如,余武江等[14]应用PumpLinx的动网格技术,对止回阀进行三维动态流场分析,研究了不同工况下的单向阀动态稳定特性.李梦科[15]采用PumpLinx软件对轴流式止回阀进行止回动态模拟,并对阀内内部流道进行优化设计,从而实现了止回阀止回性能的提高.

本文运用计算流体动力学软件PumpLinx分别对原型和改进型升降式止回阀启闭过程的动态特性进行数值仿真研究,获取止回阀动态响应和流场的变化规律,揭示改进型止回阀的改善机制.

1 物理模型与数值方法

本文以DN100止回阀为研究对象,图1(a)所示为原型止回阀的物理模型,由入口段、阀座、阀芯和出口段组成,其中阀芯上开有单通道泄压孔使其能够顺畅运动.图1(b)所示为改进型止回阀的物理模型,即采用十字泄压孔和阀芯上对称加工了四个导流槽,使流体能快速流进和流出阀芯.物理模型的入口段长度为管道直径的5倍,出口段长度为管道直径的10倍.

图1

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图1   止回阀物理模型

Fig.1   Physical model of check valve


图2所示为计算域的网格示意图,采用PumpLinx软件内置的网格模块对物理模型进行网格划分,入口段与出口段的流体域运用二元细化和自适应技术来建立高质量的网格,同时运用面网格密度控制技术对壁面附近的网格进行加密处理;对于阀芯与阀座区域,采用内置的滑阀网格模板自动划分阀门流体域的结构化网格,同时考虑阀门关闭时的最小间隙.整个流体域网格总数约为60万.对于原型止回阀,采用两次滑阀网格模板生成阀门流体域的网格以实现阀芯的从动模拟;对于改进型止回阀,阀芯因增加导流槽结构则需使用滑阀网格模板生成导流槽的动网格,故需使用三次滑阀网格模板生成改进型阀门的动网格.

图2

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图2   计算域网格示意图

Fig.2   Schematic diagram of computational domain mesh


数值计算选用水为流动介质,其密度为998 kg/m3.止回阀的阀芯设置为运动边界,其质量为6.3 kg,弹簧预载力为286.2 N,弹簧刚度为 22000 N/m,阀芯的阻力系数为120 N·s/m,运用PumpLinx内置的滑阀模块来模拟阀芯的运动过程,同时通过PumpLinx内置的自由度模块根据流体作用力大小来计算阀芯的运动速度和加速度等物理量.运用全隐式滑移界面(Mismatched Gird Interface)技术创建动静流体区域的交互面,以实现动静流体域之间的数据传递.

2 结果与分析

2.1 止回阀开启过程

对止回阀开启过程进行仿真,计算域进口设置为压力入口条件,静压为11.0 MPa,出口设置为压力出口条件,静压为6.0 MPa.

2.1.1 位移变化曲线 表1所示为止回阀动态开启过程的响应时间.表中数据表明与原型止回阀相比,阀芯增开4个导流槽的改进型止回阀动态开启时间显著缩短,约减少了53%.

表1   止回阀开启时间

Tab.1  Opening time of check valve

类型开启时间/s
原型0.2481
改进型0.1163

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图3所示为止回阀动态开启过程中位移变化曲线.由图可知,在原型止回阀动态开启过程中,开启前半程阀芯存在明显振荡,且振荡幅度随着开度的增大而减小,至后半程阀芯振荡现象消失,阀芯总体上匀速开启.在改进型止回阀开启过程中,由于导流槽使阀芯内流体及时排出,阀芯前半程的开启速度明显增大,且振荡现象消失,而阀芯后半程的开启速度明显减小,这是由于阀芯运行至此位置时,导流槽已无法将阀芯内流体及时导出.

图3

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图3   止回阀开启过程位移变化曲线

Fig.3   Displacement of check valve during opening process


2.1.2 速度曲线 原型和改进型止回阀开启过程中阀芯运动和振荡现象有所不同,分析止回阀开启速度结果如图4所示.由图可知,原型止回阀的开启过程是一个反复振荡最终达到平衡位置的过程.原型止回阀阀芯开启前半程的速度存在剧烈的波动,且速度波动幅值随着开启位移(开度)的增大而逐渐减小,这也是阀芯开启时发生振荡的原因.当阀芯运动至后半程,速度波动消失,阀芯开启速度平稳减小.由于改进型止回阀的导流槽将阀芯内流体及时排出,阀芯开启前半程的速度显著增大且无波动.当阀门开启位移约为50 mm时,导流槽不能发挥导流作用,可见此时阀芯开启速度与原型止回阀一致.

图4

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图4   止回阀开启速度

Fig.4   Opening speed of check valve


2.1.3 阀芯所受流体力 图5所示为止回阀开启过程中阀芯所受x方向流体力.在阀门开启过程中,原型止回阀的阀芯在前半程x方向流体力随着阀门开度的增加先增大后减小,而且存在较大波动,导致阀芯在运动过程中易发生偏斜;阀芯在后半程开启过程中x方向流体力逐渐减小且波动逐渐消失.改进型止回阀的阀芯在前半程x方向流体力显著减小,减少了阀芯在x方向发生偏斜的可能性;在后半程x方向流体力随着阀门开度的增大而减小,且与原型阀芯所受x方向流体力的值相接近.

图5

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图5   止回阀开启过程中x方向所受流体力

Fig.5   Fluid force in x direction during opening process


图6所示为止回阀开启过程中阀芯所受y方向流体力.在阀门开启过程中,原型的阀芯在前半程y方向流体力存在剧烈波动,且其波动幅值随着阀门开度的增大而逐渐减小,这也是阀芯开启发生振荡的根本原因.在后半程阀芯y方向流体力显著减小且脉动几乎消失,这也是阀芯在后半程开启时运动平稳的原因.改进型止回阀的阀芯y方向流体力较为稳定且无剧烈波动,这也解释了为何改进型止回阀阀芯开启平稳.

图6

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图6   止回阀开启过程中y方向所受流体力

Fig.6   Fluid force in y direction during opening process


图7所示为止回阀开启中阀芯所受z方向流体力.由图可知,止回阀的阀芯z方向流体力显著低于其他方向.原型止回阀的阀芯z方向流体力随着阀门开度增加而发生显著变化,且存在剧烈脉动.改进型止回阀的阀芯z方向流体力显著减小,且前半程z方向流体力脉动较弱,但后半程逐渐增强,这是由于导流槽已不能将阀芯内流体及时排出.

图7

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图7   止回阀开启过程中z方向所受流体力

Fig.7   Fluid force in z direction during opening process


因此,在瞬态的计算过程中阀芯所受的流体力是不断变化的.原型止回阀只有在开启一定程度时,所受流体力趋于稳定,最终和弹簧力形成平衡,使阀芯处于动态平衡,阀门运行平稳.改进型止回阀在动态开启过程中所受流体力的脉动性都有所减弱,因此运行更加平稳.

2.1.4 止回阀开启过程中内部的流场分析 图8和图9所示分别为原型和改进型止回阀在动态开启过程中的内部压力场,止回阀阀芯在流体作用力和弹簧弹力作用下运动.设图8(a)止回阀处于t0时刻,由图8可见:原型止回阀的阀芯略有回落使得阀芯空间增大,进而导致阀芯内压力瞬间急剧降低; 在t0+Δt(Δt=0.35 ms)时刻,阀芯在流体作用下开启使得阀芯空间减小而挤压流体,可见阀芯内压力瞬间升高;在t0+2Δt时刻,阀芯内流体受挤压,阀芯受力接近平衡;在t0+3Δt时刻,阀芯又有所回落,可见阀芯内压力瞬间降低.由此可知,原型止回阀阀芯内部压力场的变化导致阀芯所受合力发生变化,进而导致阀芯开启过程中发生往复振荡.

图8

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图8   原型止回阀动态开启过程中不同时刻的内部压力场

Fig.8   Contours of pressure field in the prototype at different opening times


图9

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图9   改进型止回阀动态开启过程中不同时刻的内部压力场

Fig.9   Contours of pressure field in the improved check valve at different opening times


由图9可见改进型阀芯内部压力场基本保持不变,这是由于阀芯上增开的4个导流槽能将阀芯内部受挤压流体及时排出.由此可知,止回阀阀芯所受合力较为稳定,这也是阀芯能够平稳开启的原因.

图10和图11所示分别为原型止回阀和改进型止回阀动态开启时的内部速度场,箭头所指为阀芯运动方向.由图10可见,流体通过止回阀阀芯上的十字形泄压孔流入阀芯内部,从而使得阀芯能够顺利开启.在t0时刻,泄压孔内的速度为正值,表明原型阀芯回落扩大了其内部空间,流体进入阀芯内部;在t0+Δt时刻,泄压孔内的速度为负值,表明流体流出阀芯即阀芯开启使其内部空间缩小,直至t0+2Δt时刻;在 t0+3Δt时刻,泄压孔内的速度又为正值,即阀芯发生回落.由此可知,原型阀芯在管道流体、阀芯内部流体以及弹簧弹力作用下逐渐开启过程中发生往复振荡,泄压孔不能及时将阀芯内部流体排出会导致阀芯内部压力升高,进而导致阀芯所受合力变化.

图10

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图10   原型止回阀动态开启过程中不同时刻的内部速度场(y方向)

Fig.10   Contours of y-velocity in the prototype at different opening times


图11

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图11   改进型止回阀动态开启过程中不同时刻的内部速度场(y方向)

Fig.11   Contours of y-velocity in the improved check valve at different opening times


由图11可见,改进型止回阀阀芯在流体力和弹簧弹力作用下逐渐开启,使阀芯内部流体受到挤压,通过4个导流槽和泄压孔及时流出,从而保证阀芯受力较为稳定.由此可见,改进型阀芯稳定开启时阀芯内部流体较为平稳地排出.

2.2 止回阀小间隙回落过程

对比改进前后各参数可知,改进型的动态开启时间比原型明显缩短,且在阀门开度小于50 mm时,改进型止回阀通过在阀芯部件增加导流槽,将阀芯受挤压流体及时排出,使阀芯开启时内部流动不再剧烈.因本文研究的止回阀实际工况的开度较小,为了判断改进型止回阀在工程应用中能否可靠工作,模拟了原型和改进型止回阀从初始位置为5.0 mm回落至阀座的非稳态关闭过程.设置边界条件:止回阀仿真模型的右侧边界设为压力入口条件,压力为6.0 MPa,仿真模型左侧边界设为压力出口边界,压力为0.3 MPa.

2.2.1 小间隙回落过程的动态特性 表2所示为止回阀动态关闭过程的响应时间,结果表明相同间隙下,改进型止回阀的动态关闭时间明显缩短,约减少了56%.

表2   止回阀关闭时间

Tab.2  Closing time of check value

类型关闭时间/s
原型0.0117
改进型0.0051

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图12所示为原型和改进型止回阀的动态关闭过程.由图12(a)可见,止回阀阀芯初始开启一小段位移,然后才开始回落.对于原型阀芯,阀芯回落过程中反复出现极短的开启,但阀芯整体是回落趋势;对于改进型阀芯,阀芯初始时刻开启位移略有增大,之后迅速回落且回落过程中无反复开启现象.由图12(b)可见,原型阀芯回落过程中其关闭速度存在明显波动,且波动幅值随着时间的推移有所增大.对于改进型止回阀,阀芯关闭速度随着时间的推移不断增大,且无明显波动.

图12

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图12   止回阀动态关闭过程

Fig.12   Dynamic closing process of check valve


图13所示为阀门动态关闭过程中阀芯所受流体作用力.由图13(a)可见,原型阀芯初始开启时刻所受x方向流体力相对较小,之后阀芯回落时该力逐渐减小且过渡为正值,即力的方向改变,同时阀芯回落过程中出现波动.改进型阀芯在初始开启时刻x方向流体力为负值,且大小随着开度的增加而增大,之后阀芯开始回落其所受x方向流体力逐渐减小且过渡至正值,随后平稳增大.由图13(b)可见,原型阀芯回落过程中所受y方向流体力存在剧烈波动,导致其回落速度出现较大脉动,但改进后阀芯回落过程中所受y方向流体力较为稳定,使得阀芯回落速度逐渐增大.由图13(c)可见,与阀芯所受x方向和y方向流体力相比,阀芯回落过程中所受z方向流体力显著较小,可知阀芯回落时不易在z方向发生偏斜.

图13

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图13   止回阀动态关闭过程中阀芯所受流体力

Fig.13   Fluid force on the check valve during dynamic closing process


2.2.2 小间隙回落过程的流场分析 图14和图15所示分别为原型止回阀回落时内部的压力场和三维流线.由图可知,止回阀回落过程中,阀芯内部空间扩大使得压力下降,此时外部流体通过阀芯上的泄压孔进入阀芯,但由于管道内流体不能及时流入阀芯导致阀芯内部压力过低,从而出现阀芯回弹现象,进而使得阀芯受力平衡,但此时管道流体依然流入阀芯进行流体补充,可见止回阀阀芯整体回落的趋势.

图14

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图14   原型止回阀动态关闭时的内部压力场

Fig.14   Contours of pressure field in the prototype during closing process


图15

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图15   原型止回阀动态关闭时内部的三维流线

Fig.15   Three-dimensional streamlines in the prototype during closing process


图16和图17所示分别为改进型止回阀回落时内部的压力场和三维流线.由图可见,改进型止回阀回落时流体通过泄压孔和导流槽及时进入阀芯内部补充流体,阀芯内部压力整体高于原型阀芯,阀芯受到沿y负方向的流体力,从而使阀芯关闭速度大大增加.

图16

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图16   改进型止回阀动态关闭时内部的压力场

Fig.16   Contours of pressure field in the improved check valve during closing process


图17

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图17   改进型止回阀动态关闭时内部的三维流线

Fig.17   Three-dimensional streamlines in the improved check valve during closing process


3 结论

本文对原型和改进型止回阀动态特性进行了数值模拟,深入研究了止回阀阀芯的动态开启与小间隙回落过程,系统分析了阀门开启与回落过程中阀芯速度、受力以及压力场的变化规律,主要得出以下结论.

(1) 与原型相比,改进型止回阀的动态开启和关闭时间显著缩短,分别减少了53%和56%.

(2) 原型止回阀在前半程动态开启时因阀芯内受挤压流体不能及时排出,引起阀芯受力发生脉动,进而导致阀芯开启时出现往复振荡现象;阀芯在后半程动态开启时,弹簧弹力较大因而使其开启速度下降,阀芯所受合力脉动逐渐消失,此时阀芯平稳开启.

(3) 改进型止回阀在前半程动态开启时,阀芯增开的4个导流槽能及时将阀芯受挤压流体及时排出,阀芯所受流体作用力脉动现象消失,使得阀芯能够平稳快速地开启;阀门在开启后半程因弹簧弹力较大且导流槽已不能将阀芯内流体排出,此时阀芯开启速度有所降低.

(4) 止回阀小间隙回落时,阀芯内部空间扩大,管道流体不能及时通过泄压孔进行流体补充,使阀芯受力波动,导致原型阀芯回落过程中出现轻微振荡现象;改进型阀芯回落时增开的导流槽和泄压孔能及时进行流体补充,阀芯内部能保持较高压力,使阀芯受到向下的流体力,从而阀芯回落速度增大且平稳.

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