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安全阀阀腔流动特性分析及数值模拟
安全阀是一种用于保护压力容器和管道系统的装置，当压力超过设计压力时，安全阀
会自动打开并释放压力，以避免设备破坏或事故发生。
安全阀的阀腔流动特性是决定其性
能的重要因素之一。
安全阀的阀腔流动特性主要包括进口和出口阀腔流量系数，以及流动的压降。
进口和
出口阀腔流量系数是指单位时间内通过进口和出口阀腔的流量与单位压差之比。
流动的压
降是指流体通过阀腔时产生的压力损失。
这些流动特性直接影响安全阀的启闭性能和流量
控制能力。
为了分析安全阀的阀腔流动特性，可以使用数值模拟方法。
数值模拟方法是利用计算
机对流体力学方程进行求解，以获得流动特性的数值解。
在安全阀的数值模拟中，需要考
虑流动的连续性方程、动量方程和能量方程。
通过对这些方程进行离散化和求解，可以得
到安全阀阀腔内的流动场分布以及流量系数和压降等流动特性。
安全阀的数值模拟可以基于计算流体动力学（CFD）方法进行。
CFD方法是一种基于数值模拟的流体力学分析方法，可以对流体的流动进行详细的建模和仿真。
在安全阀的数值
模拟中，需要对阀腔的几何形状、流体的物性、进口和出口的边界条件等进行定义和输入。
然后使用CFD软件进行求解和分析，得到阀腔内的流动特性。
通过数值模拟可以得到安全阀的阀腔流动特性，包括进口和出口阀腔流量系数和流动
的压降。
在实际应用中，可以根据这些特性对安全阀进行选择和设计，以满足实际工作条
件和要求。
数值模拟还可以用于优化安全阀的结构和性能，提高其工作效果和可靠性。
文章编号:100225855(2005)0120007204作者简介:吴石(1971-),男,辽宁昌图人,讲师,在读博士研究生,从事船舶振动与噪声控制的研究。
阀门流场的数值模拟及流噪声的实验研究吴 石,张文平(哈尔滨工程大学动力及核能工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001) 摘要 采用非结构、非交错网格的有限体积法求解用二方程模型封闭的雷诺平均N 2S 方程组,对水管路系统中3种常见阀门的三维分离流动进行数值模拟。
模拟结果表明,随着蝶阀、闸阀和球阀开度的减小,流体在蝶阀背面、球阀阀门内外分别形成两个方向相反的漩涡,闸阀的漩涡出现在挡板与管道的壁角处,并且漩涡在阀门下游逐渐消失。
同时实验表明,阀门下游的流噪声大于阀门上游的流噪声,涡声是阀门噪声的主要来源。
关键词 阀门;流场;数值计算;流噪声;涡声 中图分类号:TB 52 文献标识码:AInvestigated numerically on flow 2f ield of valves andexperimental study of valve 2noiseWU Shi ,ZHAN G Wen 2ping(College of Power and Nuclear Eng.,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,China )Abstract :The 32D separate flow of three kinds of valves in the water piping is investigated numerical 2ly.The numerical method is to solve the RANS equations using a Finite Volume Method based on an unstructured and collocated grid.Turbulence is taken into account by the standard model.The simu 2lation results show that ,the fluid separately form two vortices in reverse direction at the back of but 2terfly valve and within 2and 2out of ball valve.The vortex at the gate valve emerges in the wall angle of board and piping with the opening angle decreasing of the butterfly valve ,gate valve and ball valve.At one time vortex gradually reduce at downstream of the valve.In the experiment ,the flow noise at valve downstream is bigger than that at the valve upstream ,the valve noise produced by vortex mo 2tion.K ey w ords :valve ;flow field ;numerical simulation ;flow noise ;vortex sound 1 概述无论是在流体机械中,还是在流体传动与控制系统中,都会用到各种各样的阀门,这些阀门装置的主要作用是对流体的流量、压力和流动方向进行调节和控制,以满足工作系统的要求。
截止阀在不同工况下内部流场仿真模拟分析与研究
俞建国;俞伟;李向英;方芳;万贤
【期刊名称】《阀门》
【年(卷),期】2024()5
【摘要】截止阀是一种常见的阀门类型,具有结构相对简单、密封性能好、调节性能优良、可靠性高、使用寿命长等优势,但由于截止阀的阀体内流道比较曲折,流体在流动过程中会产生较大的阻力,导致能量损失。
本文对DN80截止阀进行仿真模拟分析,通过Ansys软件,探索截止阀在半开启、完全开启等不同工况下,截止阀内部流体的运动分布和压力状态,进行仿真模拟流场研究。
研究发现随着流速增大,阀门内部流场的紊动程度明显增加,且由于流速和流向的改变,容易产生漩涡和二次回流现象。
当阀门逐渐关闭时,流道截面积减小,流体通过阀门时的流速随之增大,使得阀门两端产生压差,即阀门下游的压力会降低,而上游压力则会相应上升。
反之,当阀门开度增大时,流道截面积增加,流体流速减小,阀门的阻尼效果减弱,阀门的压差就会减小。
【总页数】5页(P598-602)
【作者】俞建国;俞伟;李向英;方芳;万贤
【作者单位】浙江伯特利科技股份有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TH134
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基于CFD 技术的截止阀阻力特性分析研究截止阀启闭过程中的阻力特性，建立阀门的相对开度与压力损失之间的数学模型，并借助计算流体动力学软件fluent，应用动网格技术对阀门的内部流场进行动态数值模拟。
结果表明：理论值与模拟值之间的相对误差满足精度要求，证明此数学模型在工程实用中的可行性，同时为截止阀及其他阀门的结构设计及优化提供理论参考。
阀门作为管路系统中的一个重要部件，同时也是产生能量损耗的主要元件，在设计过程中不应只注重阀门的结构型态而忽视其流态特性。
当流体通过阀道时产生诸如旋涡、水锤、死水区、二次流等水流现象，这些现象是影响阀道局部压力损失的主要因素。
真空技术网(chvacuum/)通过分析阀门通径、流量系数、流速、阻力系数等参数之间的关系，对截止阀流道的流场特点和阻力特性进行研究，得出其相对开度与压力损失之间的函数关系，能够更好地了解截止阀的能耗情况，同时为阀门的结构设计与优化提供有效的理论依据。
FLUENT 的软件设计基于CFD 软件群的思想，针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，在特定领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域复杂流动问题的计算。
基于计算流体力学理论，利用该软件对流体流经不同开度截止阀时的流场进行模拟，克服了阀门的几何特征较复杂、很难掌握其内部流态等特点，使研究结果可视、直观化。
1、结构模型 1.1、物理模型针对XYZ-100、XYZ-125 稀油站系统，使用N150 机械油作为流体介质，根据标准GB443-89 查得：N150 机械油密度为ρ=900kg/m3;运动黏度为ν=1.5 乘以10-4m2/s;1.2、数学模型1.2.1、开度与流量系数在液压油为不可压缩液体时可将直通式截止阀的流量特性表示为：结果分析经运算，得到截止阀在不同流速、不同开度下的压力、速度流场分布情况，限于篇幅，只给出流速为2.07m/s 时的流场分布如从模拟结果可知：造成压力损失的主要原因是阀道内部产生旋涡、形成紊流的分离回流区;其次是阀道出口的主流集中在管的上壁，该处流速分布不均匀、流速梯度大。
安全阀阀腔流动特性分析及数值模拟安全阀的阀腔流动特性主要表现为下列方面：1. 压降特性安全阀在工作时需通过增加阀腔内气流的阻力，来维持阀门的开启状态，使得管道或容器内的流体不会超过压力范围，从而保护设备的安全。
因此，安全阀在工作过程中，需要保持一个较大的气流压降。
如果气流压降过小，则会导致阀门不能正常地开启，即“开启压力低”；如果气流压降过大，则会导致气流速度过快，增加阀门的磨损和噪音，即“开启压力高”。
2. 流量特性安全阀在开启后，需要排出过载的流体，以便保证设备的正常工作。
因此，安全阀的流量特性对于设备的安全是至关重要的。
现有研究表明，安全阀的流量特性集中在两个方面：一个是稳定流量特性，表现为阀门开启后的流量稳定性，即根据不同开启状态的流量变化情况分析；另一个是快速排空流量特性，表现为阀门开启后流体的排空速度，即根据不同排空方式的流量变化情况分析。
数值模拟是一种有效的研究安全阀阀腔流动特性的方法。
数值模拟指利用计算机技术，通过分析数学模型，进行计算和仿真的方法，模拟现实工程中流体的流动状态，以研究流体在某个条件下的流动特性。
对于安全阀而言，数值模拟可以模拟工作过程中的阀门开启和关闭变化以及流量变化，以更好地了解阀门的流动特性和流量特性。
现有的安全阀阀腔数值模拟方法主要有以下几种：1. 有限元方法有限元方法是一种应用非常广泛的数值模拟方法，可以准确地模拟阀门内部的流动状态，并计算压力、速度等参数，以反映整个流动过程。
不过，有限元方法对计算机性能的要求比较高，需要更大的计算量和更长的计算时间。
有限体积法是一种利用体积平衡原理进行求解的数值模拟方法，可以模拟流动过程中变化的自由表面、液滴以及气泡等现象。
不过，由于本方法计算时间长，不适合用于较为复杂的安全阀阀腔流动特性研究。
3. 边界元法边界元法是一种利用边界条件来求解流动方程的数值模拟方法，适用于较为简单的管道和容器流动分析。
该方法计算速度较快，但对流动的空间变化限制较大，不适合模拟复杂的安全阀阀腔流动特性。
安全阀阀腔流动特性分析及数值模拟安全阀是一种用于保护压力容器或管道系统的重要设备，其主要功能是在系统压力超过设定值时，通过自动释放压力以防止系统超压。
安全阀的阀腔流动特性对其性能和稳定性具有重要影响，因此对安全阀阀腔流动特性进行分析和数值模拟具有重要意义。
一、安全阀阀腔流动特性分析1. 阀腔流动特性的影响因素安全阀的阀腔流动特性受到多种因素的影响，包括阀门结构、介质性质、系统压力等。
阀门结构包括阀芯形状、阀座形状、开启方式等，不同的结构对阀腔流动有不同的影响；介质的性质也会影响阀腔流动特性，如气体和液体的流动特性不同，会对阀腔流动产生不同影响；系统压力是影响阀腔流动的重要因素，不同的系统压力会导致不同的流动状态。
对于安全阀阀腔流动特性的分析，通常采用实验和数值模拟两种方法。
实验方法主要通过实际安装安全阀进行测试，观察其流动特性和性能指标，如启闭压力、启闭时间等；数值模拟则是通过建立数学模型，采用计算流体动力学（CFD）软件进行模拟计算，分析阀腔流动的速度分布、压力分布等参数。
1. 数值模拟的意义在实际工程中，通过数值模拟可以对安全阀的阀腔流动特性进行深入的分析和研究，为优化设计和改进安全阀性能提供重要参考。
通过数值模拟，可以得到阀腔内的压力分布、流速分布等参数，从而了解阀腔内的流动状态，发现存在的问题，并提出相应的改进措施。
进行安全阀阀腔流动特性的数值模拟，首先需要建立准确的数学模型。
模型的建立包括几何建模、网格划分和边界条件设置等步骤。
在建立完模型后，采用CFD软件进行数值模拟计算，通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程和能量方程，得到阀腔内的流动参数。
以某型安全阀为例进行数值模拟分析。
该安全阀的阀芯为球形，阀座为圆形，介质为气体，系统压力为10MPa，通过建立准确的数学模型进行数值模拟分析。
模拟计算得到了阀腔内的压力分布、流速分布、流线分布等参数。
的改变，并通过试验加以检验证明，历经数次对比分析后，最终设定了安全阀升力曲线的数值模拟分析法。
升力曲线是研究安全阀动作属性的重要基础，其对外呈现出阀腔内介质对阀瓣形成的相对作用力和行程的函数关系。
已知弹簧刚度是影响安全阀动作属性的主要因素之一，通过解读特性曲线，能够测算出瘫痪的最适宜刚度。
本次研究通过拟化阀瓣张开度从35mm 闭合至1.7mm 阶段阀瓣承载的介质推力推导出阀瓣升力曲线。
可以采用式(1)测算出升力系数ρ[3]：(1)式中：F s 为流体于阀瓣上形成的总合力(N)；p 为阀门进口处介质的静压力(MPa)；d 0为流道内径(mm)。
伴随安全阀启闭高层的改变，ρ出现一定变动，阀门构造特征与不同零部件外部形状规格是影响ρ变动幅度大小的主要因素，可以通过仿真分析过程设定。
对阀瓣张开度35～20mm 时介质流线进行分析后，发现当张开度指标不同时阀腔内流体介质速度流线改变基本处于阀瓣周边。
0 引言在核电技术应用阶段，核级阀门是主要耗材类型之一，近些年其需求量有不断增加趋势，在系统运转阶段安全阀起到的保护作用也已被证实。
本文选择一种新型核级安全阀为研究对象，和常规安全阀装置相比较，其最大的不同是将弹簧加载在阀瓣上方，该类安全阀装置在启用高度、排放能力方面占据优势，这是其应用范畴不断拓展的直接动因。
本文采用国际上较为先进的流体仿真技术，通过建模，测算出开度不同时阀腔介质流动属性，解读压力特征，探究启闭动作时阀腔流场波动遵照的规律与相关影响因素。
1 构建安全阀流道模型本文采用的安全阀隶属于直接载荷式安全阀，结构图示见图1[1]。
1—堵头；2—曲轴；3—弹簧罩；4—上弹簧座；5—弹簧；6—阀杆；7—下弹簧座；8—出口法兰；9—压板；10—阀瓣筒；11—阀体组件；12—定位塞；13—导向套；14—阀座；15—入口法兰图1 新型核级安全阀结构示意图利用法兰衔接安全阀和管道，安全阀流道两侧构件呈对称分布特征，本次研究中为减少网格数目、提升分析过程效率，拟定使用有限元软件分析25%模型，同时结合系统管路特征，构建了经简化处理以后的新型核级安全阀流道模型(见图2)[2]。
基于CFD的电动截止阀内流道数值模拟及改进设计周明健;唐铃凤;王玉勤【摘要】Electric check valve is an important component of the liquid transportation. Due to the traditional design of the valve rarely design the interal flow channel, standing in the point of the fluid flow, the flow resistance coefficient is bigger, easy to cause the certain local pressure loss.The flow direction of the fluid is changing when it passed through the mouth of the valve, and there would be the flow phenomenon, which make the valve strong destructive and reduce the service life of the valve, such as local eddy current, cavitation, water hammer and dead zones, Turbulent pulse noise, etc. The interal flow channel of the Electric check valve that is in the state of the all open is numerically simulated with CFD approach based on Reynolds-aver- aged N-S equations （RANS equations）and RNG k-v model,and the total pressure figure, velocity vector diaigram, turbulence intensity map are obtained. Through numerical simulation, the flow process of the fluid in the valve can be directly displayed.It can reduce the pressure loss of the import and export around 30%, narrow the area of the mutational speed, make the phenomenon that the local eddy current disappeared, and lessen the intensity of turbulence around 15%, by improvement designing, such as change the length and curvature of the import and export part of flow channel, and alter the layout of stem of valve, etc.%电动截止阀是流体输送的重要元件．阀的传统设计方法很少从流体角度对其流道进行设计，其流阻系数比较大，容易造成局部压力损失．流体介质通过阀口时。
安全阀阀腔流动特性分析及数值模拟
安全阀是一种防止系统压力超过预设值而导致事故发生的装置，广泛应用于化工、石油、电力等领域。
安全阀的核心部件是阀芯，它在系统压力超过预设值时会自动开启以将多余的压力排放出去。
在阀芯开启前，阀腔中的压力和流动特性对阀芯的开启时间和稳定性有很大影响。
因此，对安全阀阀腔流动特性进行分析和数值模拟具有重要意义。
安全阀阀腔流动特性主要包括阀腔内压力分布、流速分布和壁面剪切应力分布等。
这些流动特性直接关系到阀芯的开启时间、开启速度和稳定性，而这些参数又决定了安全阀的实际工作效果。
因此，准确分析安全阀阀腔流动特性对于优化安全阀设计、提高安全性能具有重要作用。
数值模拟是研究安全阀阀腔流动特性的有效手段。
通过建立数值模型，可以模拟在不同工况下安全阀阀腔内的压力和流速分布情况，以及阀芯开启前后的流动特性变化。
这样可以帮助工程师对安全阀进行设计和优化，以提高其高效、稳定、安全的性能。
数值模拟的方法主要包括CFD计算和有限元分析两种。
CFD计算是指通过分析流体的流动行为，建立流场模型，并计算流场参数，如压力、速度、温度等。
有限元分析则是以物质固有性质（如弹性、塑性、蠕变、损伤、破裂等）为基础，研究物体内部力学行为的一种数值计算方法。
在安全阀阀腔流动特性分析中，两种方法都有广泛应用。
数值模拟的建模是进行数值模拟的基础，良好的数值模型能够保证模拟结果的可靠性和准确性。
建模中需要考虑到流体的物理特性、流动边界条件、阀芯结构等因素。
同时，建模还需要采用适当的网格、边界条件和求解算法，以获得准确的数值结果。
