设计研发，简单阐述了CAE、CFD技术推进设计研发的作用。从有限元分析的一般方法出发，结合迷宫式调节阀的节流降压特点，具体介绍了流场模拟、应力应变模拟、流固耦合模拟在阀门设计研发中的应用。本文提出的有限元应用方法可以指导一般阀门的设计研发。
【关键词】调节阀；迷宫芯包；CAE；CFD；流固耦合
1、前言
当前，在国内能源供求形式日益紧张的大环境下，超超临界机组在降低煤耗、提高发电效率、环境保护上，是最现实、有效、可行的选择。
上海电力修造总厂有限公司进行超超临界机组阀门新技术、新产品新工艺的开发研制，有效地解决了传统阀门普遍存在的气蚀、噪音、振动、泄漏、卡涩等问题。阀门在电站主机的启动、停机过程中要承受很大的冲击，其优劣直接影响到阀门的寿命。阀门的流通性能和受力状况是由几何形状来决定，合理的几何结构布置一般都要通过无数的实验来测定。由于实验费用高，周期长，形成一个成熟的产品需要很大的投入以及很长的时间。计算机硬件的发展使得用数值模拟的方法来预测阀门的性能以及指导设计和实验成为可能。通过数值模拟方法量化阀门内流体的流动参数、阀体阀杆的应力应变，结合流固耦合理论分析流体和固体的相互影响可以很好指导阀门的设计研发。
2、数值模拟
2.1建立几何模型
以三维造型软件UGS NX7.0平台建立阀门几何模型，迷宫式调节阀具有特殊的迷宫式芯包结构，如图1所示。
2.2分析条件
三维流体流动模拟的分析条件包括以下几点：1）流场的边界条件如：进出口流速、压差等。2）流动介质的物理属性如：密度、温度等。3）分析采用的湍流模型等等。结构静力学分析包括零部件的接触、载荷等。
2.3网格划分
对于复杂的阀杆，阀体结构模型，本文先利用ANSYS的全自动网格划分技术无需任何人工干预的形成网格模型，即采用高度自动化、高稳定性的四面体网格划分算法，然后再根据计算结果对感兴趣的区域利用高级控制技术形成更精细的网格，进行再次求解以获得最终的精确结果。为了缩小解题规模，提高计算速度，模型中去除了部分圆角及倒角。对于阀杆网格单元尺度为3mm。
3、CAE、CFD技术在阀门设计中的应用
3.1阀门内流场模拟
对于一般的阀门，当液体流过阀芯的收缩截面段时，速度增加压力减小。所产生的气蚀现象会很快侵蚀内件，造成破坏。迷宫式芯包的转角弯道结构可以将流体平稳降压，如图2所示，流体流经迷宫盘片的过程中压力下降平稳且流体压力始终保持在饱和蒸汽压Pv之上，从而消除了气蚀现象。本文以ANSYS12.0为数值计算平台，采用稳态计算模拟出流体流经迷宫盘片的节流降压状态。如图2所示数值模拟的结果验证了迷宫盘片芯包消除气蚀的效果。
在阀门全开的状态下，对阀门内流体进行模拟可以更直观的分析流体的流动情况。迷宫式调节阀的迷宫片芯包结构复杂，因此在模拟阀门内流场的过程中将芯包结构设置成多孔介质。整个流场的网格通过计算得到如图4所示的流场压力云图。
3.2阀体和阀杆应力应变模拟
超超临界机组的电站阀门的运行工况时常是高温高压，因此阀体、阀杆的应力应变分析显得尤为重要。对阀杆和阀体施加相应的约束和载荷，计算得到如图6、7所示的应力云图。
3.3阀门流固耦合分析
流体与结构的流固耦合响应对于研究阀门流动有重要的作用。流体在流动过程中产生的压力变化会改变固体结构的受力情况，从而使固体边界出现变形；流体流动边界的变化又会改变其流动状态。图7、8分别是阀门关闭状态下的等效应力图和阀门开启状态下受到流体作用的等效应力图。
4、结论
本文通过应用大型通用有限元软件ANSYS，对迷宫式调节阀阀门内流场、阀杆应力应变及流固耦合进行了模拟。对迷宫式调节阀在工作过程中能否平稳可靠运行，有着至关重要的影响。综上所述，应用有限元分析手段ANSYS，可以方便准确地得到迷宫式调节阀主要承载部件在工作状态下的流场及应力应变情况，为承载部件的强度及稳定性校核，提供了一个方便可靠且直观的计算手段，同时为机构运动部件的优化设计和改进提供了理论依据。
参考文献
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