SMC電磁閥的起源、發(fā)展、功能、內(nèi)襯材料

    SMC電磁閥是由于閥門流道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)流體通過法道時(shí)產(chǎn)生諸如漩渦、水錘和死水區(qū)等水流現(xiàn)象。這些現(xiàn)象嚴(yán)重危害系統(tǒng)工況，是造成系統(tǒng)水頭損失的主要因素。目前國(guó)內(nèi)對(duì)各類閥門尤其是氨閥流道流動(dòng)特性的研究尚未引起重視，在設(shè)計(jì)中基本上還是依據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)，只注重結(jié)構(gòu)形式而不注重考慮壓力損失，從而引起較大的能耗，在實(shí)際氨系統(tǒng)中，閥門的流道壓力損失占整個(gè)系統(tǒng)的壓力損失的比例是相當(dāng)大的。本文運(yùn)用COSMOSFLOWORKS流體分析軟件，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的氨用截止閥的壓力損失進(jìn)行數(shù)值模擬對(duì)比分析。

    流程分析

    1、設(shè)定分析項(xiàng)目

    以DN40氨用截止閥為例，設(shè)內(nèi)部流動(dòng)的介質(zhì)為水，依據(jù)JB/T5296-91的有關(guān)規(guī)定，選擇流動(dòng)模型為單向流體的不可壓縮粘性流動(dòng)，無氣穴現(xiàn)象，端墻設(shè)置為絕熱壁，采用不可壓縮流動(dòng)的雷諾方程組與K-ε構(gòu)成封閉的分析模型。圖1為兩種結(jié)構(gòu)的氨閥二維平面對(duì)比圖。

    2、建模

    CFD分析屬于大型數(shù)值問題求解，為了縮短求解時(shí)間，模型應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化。由于氨閥門的工況要求，介質(zhì)由閥門右端進(jìn)入閥門，左端流出閥門，所以我們?cè)O(shè)閥門右端為進(jìn)口，左端為出口，又由于閥后流體的流動(dòng)比較復(fù)雜，為了避免出口界面上產(chǎn)生渦流并使計(jì)算結(jié)果收斂，閥前延伸管道長(zhǎng)度取管道直徑的五倍，閥后延伸管道取管道直徑的十倍，建模結(jié)果如圖2、圖3所示。

    3、兩種氨閥流道模型及網(wǎng)格劃分

    為流體的穩(wěn)定流暢性，從進(jìn)口到出口，通過內(nèi)部流道組成分析用的封閉區(qū)域。網(wǎng)格劃分采用了非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格技術(shù)，利用COSMOSFLOWORKS的網(wǎng)格劃分功能對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用自適應(yīng)的網(wǎng)格技術(shù)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬。

    4、運(yùn)行設(shè)置向?qū)?/p>

    COSMOSFLOWORKS對(duì)于初始條件的設(shè)置提供了非常簡(jiǎn)捷快速的操作界面。運(yùn)行設(shè)置向?qū)В来螌?duì)units(單位制)—>Fluid type(流體或汽體)—>physical features(層流)—>Analysis—>roughness(表面粗糙度)—>select fluids(選擇water SP，表示流體為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的水)—>default wall conditions(一般選絕熱壁)—>Result and Geometry Resolution(設(shè)置結(jié)果和幾何精度)。

    5、邊界條件

    SMC電磁閥要對(duì)氨閥進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值模擬，需要設(shè)定氨閥的邊界條件，主要包括入口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件等。

    入口邊界條件：選擇流體入口的流量作為氨閥的入口流量。

    出口邊界條件：選擇流體的出口壓力作為氨閥介質(zhì)的出口邊界條件。

    壁面邊界條件：選取為粘性流動(dòng)，采用壁面無滑移條件。針對(duì)粘性底層和過渡層采用壁面函數(shù)法求解。

    6、計(jì)算右鍵單擊配置名，選擇“Run”，就可以由系統(tǒng)開始計(jì)算，計(jì)算過程可以通過各種圖片進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。

    結(jié)果分析對(duì)比

    經(jīng)過COSMOSFLOWORKS模擬計(jì)算，在相同的邊界條件下，兩種結(jié)構(gòu)的氨用截止閥的結(jié)果對(duì)比如表1和表2所示。

    從表3可以看出，在出口靜壓和進(jìn)口流量相同的情況下，圖2結(jié)構(gòu)的進(jìn)出口靜壓差為99503Pa，而圖3結(jié)構(gòu)的進(jìn)出口靜壓差為55576Pa，圖2結(jié)構(gòu)是圖3結(jié)構(gòu)的1.79倍，也就是說在相同的邊界條件下，圖2結(jié)構(gòu)的壓力損失是圖3結(jié)果的1.79倍。

    是SMC電磁閥模擬的兩種結(jié)構(gòu)的壓力云圖對(duì)比，通過對(duì)比可以看出，兩種結(jié)構(gòu)的進(jìn)出口已達(dá)到平壓狀態(tài)，通過顏色對(duì)比也可以看出，兩種結(jié)構(gòu)出口處顏色一致，而進(jìn)口處，圖2結(jié)構(gòu)的顏色和圖3結(jié)構(gòu)不相同，通過對(duì)比右邊色彩與壓力值柱狀圖可以看出，要達(dá)到相同的出口壓力，圖2結(jié)構(gòu)比圖3結(jié)構(gòu)需要更大的進(jìn)口壓力。

    變換邊界條件

    設(shè)入口邊界條件為入口壓力已知，出口邊界條件為出口流量已知，再次進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4、表5所示。

    從表6可以看出，在進(jìn)口靜壓和出口流量相同的情況下，圖2結(jié)構(gòu)的進(jìn)出口靜壓差為115525Pa，而圖3結(jié)構(gòu)的進(jìn)出口靜壓差為56100Pa，圖2結(jié)構(gòu)是圖3結(jié)構(gòu)的2.05倍，也就是說在相同的邊界條件下，圖2結(jié)構(gòu)的壓力損失是圖3結(jié)構(gòu)的2.05倍。

    說明

    由于條件有限，我們未對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的閥門進(jìn)行相應(yīng)的流體實(shí)驗(yàn)，所以沒有具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但由于我們模擬采用模型、條件，所以實(shí)際的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一定與我們模擬結(jié)果有所區(qū)別，但這并不會(huì)影響我們判斷兩種結(jié)構(gòu)在特定條件下流暢能力方面的優(yōu)劣。

    結(jié)論

    1、通過對(duì)比，我們可以看出，若介質(zhì)從閥門右端進(jìn)左端出的情況下，圖3結(jié)構(gòu)的流通能力要優(yōu)于圖2結(jié)構(gòu)。

    2、我們可以利用類似的流場(chǎng)數(shù)值模擬仿真分析對(duì)比驗(yàn)證氨閥產(chǎn)品的性能并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。