梭式止回阀开启过程的数值模拟

为了研究梭式止回阀在高压差条件下启闭时阀瓣的运动特性以及阀内可能出现的气穴现象,采用计算流体力学(CFD)方法,建立梭式止回阀阀瓣运动方程和流场气穴模型,并通过动网格技术和用户自定义程序,对梭式止回阀开启过程中阀内速度场、压力场、气穴分布和阀瓣运动特性进行了数值仿真,仿真结果以可视的图形图像形式给出.数值模拟研究表明：梭式止回阀在开启过程中,流体主要沿阀壁流动,阀体中间部位则出现回流;在阀内有涡流存在,在涡流的涡心位置流体流速小、压力低,易产生气穴;气穴的产生和发展与进出口压力大小和阀瓣开度等密切相关,气穴易引起阀内流场的不稳定.阀瓣在压差作用下的运动特性为阀瓣首先开启到一极大开度,并逐渐以波动的形式回归到一稳定的开度,阀瓣在运动到稳定开度附近时速度最大.模拟研究结果可以为梭式止回阀结构参数的设计和优化等提供参考.     

七流道球型止回阀的结构设计及性能分析

针对当前止回阀在使用过程中普遍存在的问题和缺点,对管道直径DN≥200 mm管道系统,开发设计了一种七流道球型止回阀,并在止回阀的后阀体设计中采用异型锥形体结构,有效地改善了钢心胶球在球阀全开时的颤抖,减小整个球阀水力损失;优化了球罩的长度尺寸L和关阀路径S,控制突然停泵时止回阀关闭产生的水锤压力大小,减轻对管道系统的破坏.同时利用UG软件建立止回阀的三维模型,采用Fluent软件对七流道球型止回阀的内部流动进行了数值模拟,并在同一水锤试验台上,在相同的测试条件下,对DN=500 mm的七流道球型止回阀和旋启式止回阀进行了水锤和水力损失对比试验.结果表明:在突然停泵时,同口径的七流道球型止回阀与旋启式止回阀相比,阀体前的最大水锤压力只为旋启式止回阀的1/2,其阀门的关阀时间延长了1倍以上,并且,在相同的过流条件下,其水力损失只为旋启式止回阀的10%.     

旋启式止回阀在运行工况下产生异响情况分析

某核电机组旋启式止回阀在阀门止回功能正常的情况下间断性地发生异响现象。文章针对现场工况、阀门设计参数、阀门部件受力分析等方面进行原因分析,并结合实际情况对阀门采取改造阀瓣的处理方式,解决了阀门异响的问题。     

多流道球型止回阀性能研究

采用UG三维造型和CFD数值计算等多种辅助手段，对多流道球型止回 阀的性能进行深入的研究，对其流道结构进行优化设计，并通过流阻测试，与旋启式止回阀进行了比较，多流道球形止回阀大大减少了阀体的水力损失，降低了在关阀过程中所产生的水击波，提高了止回阀的可靠性。     

多流道球形止回阀性能研究

采用UG三维造型和CFD数值计算等多种辅助手段，对多流道球形止回阀的性能进行研究，对其流道结构进行优化设计，并通过流阻测试，与旋启式止回阀进行了比较。多流道球形止回阀大大减少了阀体的水力损失，降低了在关阀过程中所产生的水击波，提高了止回阀的可靠性。     

基于管嘴出流规律的水击边界条件 数值模拟

为研究阀门关闭瞬间产生的水击压力,以管嘴出流规律来确定阀门断面的水头和流量的关系,并结合特征线方程,以水击实验台为模型,用MATLAB编程进行水击模拟计算.结果表明:阀端压力随阀门关闭先迅速上升,0.36 s达到最大值,之后压力又迅速下降;随着时间的增加,阀端压力不断重复上升到峰值然后又下降,但其最大压力都小于第1个峰值.将其与水击实验台的试验结果对比分析,验证了管嘴出流模型以及计算程序的准确性.故在简单的有压管道中,当管道末端为阀门时,可以按照管嘴出流规律来建立边界条件.在此基础上依次取阀门关闭时间为1.0,2.0,3.0,4.0,4.8 s,模拟了阀门关闭时间对最大水击压力的影响.结果显示,阀门关闭时间对水击压力有很大影响:关阀时间越长,产生的最大水击压力越小,但随着阀门关闭时间的延长,水击压力的减小幅度会越来越小.     

轴流式止回阀动态特性

基于Fluent软件提供的计算方法和物理模型,利用动网格及用户自定义函数技术对轴流式止回阀的阀瓣运动过程进行动态数值模拟.通过动网格较好地解决了因阀瓣运动而导致的计算区域瞬时变化的问题.利用CFD软件Fluent,采用非结构化网格,标准k-ε湍流模型,模拟了阀瓣关闭的动态过程中,止回阀内压力场和速度场的瞬态变化过程,计算出动态特性曲线,并进行了相应的试验验证.结果表明:运用动网格技术能较好地模拟止回阀内部压力和速度的动态变化,试验结果与数值计算结果趋于一致,验证了数值模拟的可靠性.通过数值模拟不同公称直径和外力下止回阀内的压力场和速度场的瞬态变化,计算出对应的动态特性曲线,并总结了止回阀的公称直径和外力对其动态特性的影响结果,对工程设计与管理具有指导作用.     

一种截止双用阀

本阀门在原有的截止阀上,对阀瓣进行改进,加长阀瓣的垂直高度,这个高度值大于阀瓣从关闭到全开的距离,使阀门在全开位置时,阀瓣能在这个距离间受介质的作用力可以自由活动,当阀门进口有压力时,阀瓣被抬起直到全开;当进口压力为零时,阀瓣掉落到阀体密封面上来实行关闭。本阀门能一阀多用,不但减少安装空间、节约成本,并且可以降低管道系统上的压力损失,在介质回流阀门不能止回出现泄漏时,还可以进行强制性密封。     

截止阀内部的介质流动和空化特性研究

本研究通过均质混合方法,结合SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对截止阀内部的介质流动和空化现象进行了研究。研究得到了截止阀内部的介质速度云图、压力云图、截止阀管道中心线上的压力数据,以及发生空化现象后截止阀内部的蒸汽相分布。仿真结果表明,截止阀内部会有非常明显的压力波动,截止阀的空化现象主要发生在阀座密封面和阀瓣密封面附近。     

球型调节阀关阀水锤效应的试验研究与数值计算

针对工业生产中球型调节阀快速关闭时产生水锤的现象,采用试验方法和数值计算分析关阀速度对水锤冲击波形的影响.研究结果表明,随着阀门关闭,阀前压力先增加后降低,阀后压力先降低后增加,二者几乎同时达到峰值和谷值,并都伴有一定强度的随时间推移快速衰减的压力波动.关阀水锤效应对阀前管路的冲击更强,并且阀前正压力与阀后负压力会产生合力,对阀体结构造成更大的水锤冲击力.关阀时间从3 s增加到5 s,可降低水锤冲击力,同时会改变水锤冲击波形.基于经典水锤方程和特征线法,建立一套快速分析关阀瞬态性能和水锤冲击效应的数值计算方法.自主开发计算软件,数值结果与试验数据基本吻合,能够较好地预测关阀动态过程和管道水锤现象,为相关工程应用提供技术支撑.     

TVD格式数值模拟四通管阀门关闭特性研究

水击问题是管道输水中重要的安全问题,管网水击直接制约着管道输水技术的发展。正确进行四通管水击及其影响分析并采取适当控制措施对管网安全运行有重要意义。将TVD格式运用到四通管阀门关闭特性对水击过程影响的研究中,对其阀门关闭规律及组合关闭方式进行模拟,以期遴选出使得水击压力不影响管网安全运行的关阀模式。由模拟结果可以看出:两阶段直线关阀方式优于加速曲线和直线关闭方式,可操作性强,两阀门同时直线关闭方式优于一个或两个阀门瞬时关闭方式,产生水击压强最小且衰减最快,可分别作为保证四通管在瞬变工况下安全运行的阀门关闭模式和组合关阀方式,进而为四通管乃至管网在瞬变工况下的安全运行和管理提供理论依据和参考。     

喷灌技术顾问

10.问:为什么延长关闭式开启喷灌管道闸阀的时间可以减轻水击作用?操作时间应该如何确定? 答:压力管道内流量(或流速)的改变是引起压力管道水击现象的根本原因,当喷灌管道上的闸阀关闭或开启时就会使管内流量(或流速)发生变化,从而就会在喷灌管道内引起压力的暂时改变即所谓水击现象,在关闭闸阀时压力升高称为正水击,开启闸阀时引起压力下降称为负水击。     

基于CFD的蝶板结构改进设计及数值分析

为研究蝶阀阀板结构对阀门气蚀系数和流阻系数及阀门内部流动特性的影响,基于有限体积法和标准k-ε湍流模型,在不同开度(蝶板转角)下对梳齿形和楔形2种结构蝶板的蝶阀进行定常流动的三维数值模拟计算,获得阀门内部流场的速度场和压力场.比较分析阀门在不同工况下流道内部的速度分布、压力分布、速度流线图,得到速度对涡流形成及扩展的影响.结果表明:楔形蝶板的阀门流动更加平稳,在较大开度时流阻系数减小,流体对阀体和流道的冲击降低,蝶阀的流通能力提高;楔形蝶板阀的气蚀系数较梳齿形蝶板阀有所增大,抗气蚀的性能增强.研究结果为分析阀门内部受冲击状况提供了依据,为阀门优化设计提供了一定的借鉴.     

基于CFD的蝶板结构改进设计及数值分析

为研究蝶阀阀板结构对阀门气蚀系数和流阻系数及阀门内部流动特性的影响,基于有限体积法和标准k-ε湍流模型,在不同开度(蝶板转角)下对梳齿形和楔形2种结构蝶板的蝶阀进行定常流动的三维数值模拟计算,获得阀门内部流场的速度场和压力场.比较分析阀门在不同工况下流道内部的速度分布、压力分布、速度流线图,得到速度对涡流形成及扩展的影响.结果表明:楔形蝶板的阀门流动更加平稳,在较大开度时流阻系数减小,流体对阀体和流道的冲击降低,蝶阀的流通能力提高;楔形蝶板阀的气蚀系数较梳齿形蝶板阀有所增大,抗气蚀的性能增强.研究结果为分析阀门内部受冲击状况提供了依据,为阀门优化设计提供了一定的借鉴.     

倒吊桶先导式蒸汽疏水阀的设计与数值模拟

针对高温高压大排量下先导式蒸汽疏水阀噪声高、导阀承压能力低的问题,设计并研制了一种新型超大排量倒吊桶先导式蒸汽疏水阀,建立了其数学模型,并基于节流降压原理设计了两级节流套筒式消声器.以连续性方程、三维雷诺平均N-S方程和基于各向同性涡黏性理论的k-ε方程组成疏水阀内部流动数值模拟的控制方程组,采用结构与非结构网格相结合的有限体积法对控制方程组进行离散,应用CFD软件Fluent对阀内流动进行三维湍流数值模拟计算.结果表明：该先导式蒸汽疏水阀采用倒吊桶疏水阀作为导阀,使导阀最大承压能力由目前的6.3MPa提高到10 MPa以上,最高工作压力8 MPa,排量可达30 t/h.通过对比分析可知：加消声器后,阀内流场变得均匀,实现了压力的渐变,有效防止了空化现象的发生,最大压降由247.7 kPa减小到190.8 kPa,总压降增大了165.6 kPa,压降比由0.18提高到0.56,降噪量为33 dB（A）.     

压力波动预止阀关闭特性对泵站水锤的影响

为了获得压力波动预止阀在防护泵站水锤方面的水力性能,采用特征线法,通过构建水泵与压力波动预止阀的数学模型,以宁夏固原地区某高扬程泵站为例,详细分析了压力波动预止阀的5种关闭特性曲线对泵站水锤防护效果的影响.结果表明:压力波动预止阀在全开状态并选择针形阀曲线类型时达到最大外泄量;压力波动预止阀在关闭过程中,通过阀门流量的减少率接近于阀门开启面积的减少率.当压力波动预止阀选择为蝶阀类型的减速关闭曲线时,可使泵站出口压力波动最先达到稳定.同时,当压力波动预止阀的曲线类型由加速关闭曲线、常速关闭曲线至减速关闭曲线变化时,整个输水系统最高压力极值下降,而系统最低压力极值上升.因此,压力波动预止阀关闭特性选择为减速关闭曲线类型时,可防护的系统最高压力最小,最低压力最大,从而更有利于水锤防护.     

枝状管网水力瞬变工况的试验与数值模拟

采用试验并结合特征线法(MOC)对带有一个分支管管网阀门关闭时产生的水锤压力及波动规律进行了研究,试验采用压力传感器监测水锤压力波动、角位移传感器测定阀门的关闭时间及关闭规律,结果表明:MOC方法能较好地预测管网阀门关闭产生的最大水锤压力值,管网监测点计算与试验值相对误差小于13％,但MOC方法计算所得压力波的衰减比较缓慢,而试验得到的压力波衰减很快,是由于在计算中使用的恒定流摩阻所致;在此基础上对5种阀门关闭方案产生的瞬变流动进行了数值计算,表明管路末端2个阀门同时关闭时管网中产生的水锤压力最大,在实际工程中应避免阀门同时关闭的操作;管网最大水锤压力随关阀时间的延长而减小,当阀门关闭时间一定时,采用曲线关闭规律产生的最大水锤压力比直线关闭规律产生的要小,而采用两阶段直线关闭规律产生的最大水锤压力压力小于线性关闭的,对于实际工况中的两阶段关闭应通过延长第一阶段关闭时间以减小最大水锤压力．     

抽水蓄能电站甩负荷主进水阀动水关闭过程内部流场仿真

为探究抽水蓄能电站机组甩负荷时主进水阀在导叶拒动和导叶协同关闭两种情况下的内部三维瞬变流动过程与特性。对某抽水蓄能电站主进水阀建立三维仿真模型,确定了流场仿真的边界条件,选用Realizable k-ε湍流模型,模拟了两种关阀方式下主进水阀内部三维瞬变流动过程,计算得到阀前压力变化曲线并与一维数值仿真计算结果进行了对比,分析了两种关阀方式下的内部流场演化过程。结果表明:甩负荷过渡过程中,两种关阀方式下主进水阀内部三维瞬变流动过程的CFD仿真结果具有较高的精度;主进水阀关闭过程中其内部流场复杂,形成的涡流会改变内部流向,造成压力损失;在阀腔处有较大的压力变化,为机组安全运行带来隐患;两种关阀方式下阀腔中的压力最大值均出现在枢轴处,且协联关闭方式下的压力最大值相对较小。     

多阀门燃料输送系统复杂工况水击特性分析

针对某多阀门燃料输送管路系统工作过程中出现的不同阀门支路水击压力相互影响过大等问题,在充分考虑了系统快响应需求、轻量化及结构紧凑等约束条件下,通过试验研究了多阀门在复杂工况下的管路水击特性,包括管路中水击压力的变化与阀门脉冲工作模式以及同时工作的阀门组合之间的关系、水击压力与阀门打开-关闭时间间隔的关系,与阀门工作控制周期的关系以及与同时工作的阀门数量的关系等.在此基础上提出了基于多阀门工作模式调整的水击抑制措施,表明在不增加系统复杂度和重量的情况下降低燃料输送管路内水击压力是可行的.     

闸阀调节过程的三维模拟及其动态模型

为了研究泵系统调阀过程的瞬态特性和内流机理,在一维分析软件Flowmaster中建立了包含管路、阀门和泵在内的仿真模型,并以三维简化闸阀为模型,采用Fluent 6.2进行计算,对开启过程的非定常内部流动进行数值模拟研究.采用动网格的方法分析了阀门开启过程中阀芯运动引起的流场变形.结果表明:直线特性和对数特性的调节阀都具有快开特性,即流量变化对阀门的相对开度相当敏感,当阀门开度为10%～20%时,水击压力迅速下降;而通过内部流态分析可知,在阀门开度较小的工况下,阀后流场紊乱,造成较大的水力损失,使阻力系数值增加,当阀门开度小于50%时,稳态和瞬态工况下阀门的阻力系数值有较大的区别.由分析可知,研究阀门开启过程的瞬态特性,以及建立内部流态模型,都不能完全按照通常的稳态理论进行,尤其对阀门开度较小的工况,应对其进行一定程度的修正,以保证计算结果的正确性.