弹簧加载止回阀CFD
摘要
本文介绍了使用CFD技术模拟弹簧加载止回阀的性能测试，特别是流量与阀门开启大小的关系。通过二维模型与细化网格，设置液态水为介质和特定的边界条件，采用稳态求解获得了速度、压力和阀门推力的数据。进一步利用流量系数Cv的概念和计算公式，推导了使阀门行程为4mm时的理论流量和对应速度，并通过模拟验证了计算结果，探讨了计算偏差。文章还提醒了在高流量下可能出现的阻力危机现象，对读者提出了进一步探索的建议。
正文
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1 前言
随着CFD技术的兴起，阀门的性能测试可以从费时费力的实验中解放出来，采用CFD方法获得流量系数Cv是一个非常可靠的手段。之前，我们做过一个截止阀的模拟案例，接下来我们的模拟对象为单向阀。单向阀的模拟严格意义上将是一个流固双向耦合问题，当然了，由于阀瓣自身的变形可以忽略，因此实际上就转化为流体+6DOF刚体运动模拟。除非要研究阀瓣启闭的动态行为，否则也没有必要进行上述的模拟，因为计算量大大增加，要结合动网格或者重叠网格技术，模拟门槛也提高了。我们研究的问题为流量与单向阀开启大小的关系，因此采用常规的流体稳态模拟即可。之前我们先对旋启式止回阀（swing check valve）进行模拟，今天我们研究一下弹簧加载止回阀，目标同样为获得某个开度下的流量要求，注意是开度先确定，再反推流量值，否则就只能采用6DOF技术了。2 建模与网格
创建如下简单的二维平面模型，弹簧未建模，模型中的阀门已行程了4mm。划分四边形网格，对阀门附近网格进行细化，划分边界层3层，总节点数7648，最小正交质量0.49。3 边界条件与求解设置
左侧入口速度0.05m/s，右侧出口为压力出口，表压0Pa。4 计算结果
计算一下阀门所受到的推力，约为0.015N，方向为+x。接下来，我们重点讨论流量和阀门开度的对应关系计算方法。我们知道，阀门的流量系数和流量存在如下关系式。ΔP为阀门前后压差，同时这个压差也是驱动阀门开启的动力源。而Cv又可以通过CFD计算结果获得，也就是因此，假设刚好使得阀门行程4mm的驱动压差为ΔPLift，同时其流量为qREQ，则存在如下的关系式。上式中，qCFD和FCFD都通过仿真计算求得，本案例为0.0005081m3/s和0.015N。假设弹簧刚度为5N/m，那么使阀门开启4mm的力为Flift=kx=0.02N。因此根据上式可以计算得到对应的流量qREQ=0.00587m3/s，亦即入口速度为0.05773m/s。我们将该速度作为入口边界重新进行计算，得到推力Fcfd约为0.0187N，与Flift相差约6.5%，此偏差为计算偏差。但是，到这里需要指出的是，对于本案例的模型，阀门本体为圆形，随着流量增大可能会出现阻力危机现象。一旦出现该现象，则流量增大，推力反而减小，此时上述的方法将会失效，感兴趣的读者可以自行测试一下。关于阻力危机，之前我们有过相关案例，读者朋友可以在本号搜索相关内容。[1] CHECK VALVE FLOW AND DISK LIFT SIMULATION USING CFD
