锥阀流场的数值模拟与结构优化

　　锥阀具有密封性能好、过流能力强、响应快、抗污染能力强等特点，已经获得了广泛的应用。流体在锥阀中的实际流动情况是十分复杂的，同时对锥阀的各种性能都会产生重大影响，其中包括能量利用率、作用于阀芯上的动力、流体的噪声等。所以，运用数值模拟方法对锥阀内部流场进行解析和了解锥阀内部流场的特性就显得相当重要了[1]。

　　1 模型建立

　　1. 1 几何模型

　　外流式锥阀主要是由阀座和阀芯组成。尺寸为: d = 10 mm，d1= d2= 100 mm，d3= 15 mm，d5=30 mm，d6= 30 mm，a = 45°，k 为开度( 见图 1) 。对此模型的相关假设如下:

　　( 1) 流体为不可压缩流体，即 为流体密度;

　　( 2) 假定锥阀阀芯与阀套配合精确，没有径向间歇，无泄漏;

　　( 3) 不考虑流体质量力的影响;

　　( 4) 假定系统内部流体无热传导现象;

　　( 5) 壁面处无滑移，即固定壁面处速度为零;

　　( 6) 流 k-ε 动状态为湍流，采用标准湍流模型。

　　1. 2 数学模型

　　基本计算公式如下[2]:

　　湍流基本方程

　　式中: A( k) —阀口的过流面积;

　　Q—流量;

　　ρ—流体密度;

　　Δp—进出口的压力差;

　　k—阀口开度;

　　a—锥阀的半锥角;

　　d—阀入口处直径。

　　2 计算网格与边界条件

　　2. 1 计算网格

　　在PHOENICS 的 VR 编辑器中建立计算的模型，选择柱坐标系，点击 Menu( 主菜单) 中的 Geome-try 按钮，在 Grid Mesh Settings 对话框中设置流场区域尺寸与网格分布，X 方向设置为 0. 5，Y 方向设置为 0. 035 m，Z 方向设置为 0. 2 m。X 方向的网格设置为 1，Y 方向的网格设置为 80，Z 方向的网格设置为 200，网格节点为1 600 个。计算次数设置为40 000 次，经过反复试算，松弛因子为 0. 5 时，收敛效果最佳[3]( 见图2) 。

　　2. 2 边界条件

　　基于流动的复杂性，我们对模拟流场进行了简化设置: 此流场采用柱坐标系，X 方向表示弧度，Y方向表示锥阀的轴向，Z 方向分别表示锥阀的径向;流场内的流体为牛顿流体、流态为湍流，其中流体设为1 atm 下 0 ℃的水。进、出口边界设为速度入口和压力出口，出口压力设为 0。

　　3 模拟结果和改善

　　3. 1 不同进口速度仿真结果

　　为了说明在阀口开度相同时，流量变化对外流式锥阀内部流场的影响。本文模拟了流量为20 L / min时阀内流场情况，X 轴表示距入口距离用L，Y 轴表示压力的变化值，用P 表示[4]( 见图3，4) 。