基于CFD单流阀结构优化设计

　　摘要：采用SolidWorks建立DF65-105型单流阎流道模型.并基于CFD软件仿真分析在不同开度下流体介质对单流阀的冲蚀影响，继而对DF65-105型单流阎的流道结构进行优化。研究结果表明：当单流阀的开度在10%～80%范围内时，随开度的增加，单流阀压降逐渐降低，但开度为60%～80%时泥浆流体对单流阀壳体的冲蚀作用将大于开度为10%～50%的情况;此外，当单流阎的开度为60%时，倾角为55。的结构更有利于减轻泥浆对单流阀壳体的冲蚀作用。

　　关键词：单流阀;CFD仿真：冲蚀：结构优化

　　《数控机床市场》杂志是由经新闻出版署批准的国家一级刊物。由中国机械工业联合会主管、中国工业报机电产品导报编辑部编辑出版的一份大型双月刊。

　　在钻井或井下注水作业过程中，单流阀通常安装在高压管汇上，当向井底注入液体时，高压的液体介质从人口进入单流阀。当注水井停止注水或停钻时，由于单流阀的单向流通工作机理，可以阻止高压水逆流而引起砂埋井下工具现象，因此，单流阀的使用寿命对钻井或注水作业的顺利开展具有重要意义。然而由于井下工作环境复杂，单流阀极易因阀口快速冲蚀等问题而失效。结合实际工况参数，对单流阀结构进行设计或对原有单流阀结构进行优化以减缓单流阀的失效速率、延长其使用寿命是单流阀在设计研究时需要解决的重要问题。

　　冯永江等针对弹簧式油井单流阀使用寿命短、操作不安全等问题，研制出新型油井单流阀，实验结果表明，相较于弹簧式单流阀，新型单流阀使用寿命有较大提升。袁维汉等针对注水井口单流阀存在的缺陷，从耐压程度、维修、过滤等方面进行了改进设计，结果表明，新型高压注水井单流阀可以较好解决老式单流阀易失效、截压和不耐高压等问题。

　　为满足不连续油管不压井作业的工况，雷德荣在参考现有球阀单流阀的基础上对连续油管不压井作业情况下注汽单流阀的结构进行了设计，所设计的单流阀能够满足相应使用要求。黄建波等针对传统单流阀使用寿命短、密封件容易失效等问题，设计了双导向新型结构单流阀，實验结果指出，新型单流阀可靠性、稳定性均有较大幅度提高，使用寿命也大大延长。王磊等则针对大斜度偏空井单流阀进行了设计。郭锐锋针对特稠油开采过程中涉及注水、注气等作业要求设计了相应的注水注气单流阀，现场应用结果表明该单流阀能够满足注水、注气等生产要求。

　　王甲昌等针对钻完井作业使用浮阀存在寿命短和失效率较高等问题，设计了一种自衡式单流阀，以满足碳酸盐岩超深水平井完井管柱配置、压裂、酸化等施工要求。而针对单流阀流道的结构优化，程心平等为提高注水井单流阀的工作性能和使用寿命，结合CFD对单流阀的结构进行优化设计，得到阀口倾角为30°、阀口开度为0.8mm的最优阀口结构参数。韩锡鹏等针对潜油泵机组中单流阀易出现冲蚀的问题，在建立单流阀仿真模型的基础上运用Fluent进行流场分析，并基于此对单流阀结构进行改进，改进后单流阀防冲蚀效果得到了明显改善。

　　综上所述，针对单流阀在使用过程中存在的问题，研究人员开展了大量研究工作以延长单流阀使用寿命。但研究人员主要是结合实际工况而设计满足一定要求的单流阀，所设计的单流阀并不具有普遍适用性。因此，本文从单流阀冲蚀磨损引起其失效的角度出发，以DF65-105单流阀(根据AP116C和APl6A标标准所设计)为研究对象，基于CFD流体仿真软件分析单流阀在不同开度下的冲蚀情况，并结合仿真分析结果对DF65-105单流阀流体通道结构进行优化，为基于流道结构优化而延长单流阀使用寿命的深入研究提供基础。

　　1模型的建立

　　1.1单流阀结构

　　DF65-105型单流阀的结构见图1，其主要由阀体、阀盖、密封垫环、衬套、导向筒、阀芯、弹簧和阀座组成。如图1所示，由于阀座与阀芯间的相互作用，在一定流体介质压力下.阀芯只能由如图1中所示往上运动，达到一定的开度，而不能往下超过阀座所处的位置，继而实现流体介质的单向运动。对于本文所研究的DF65-105型单流阀，其公称直径为65mm，工作压力为105MPa。

　　1.2计算模型及边界条件

　　由于本文主要研究流体介质对单流阀冲蚀的影响，因此，对于图1中的单流阀，可仅仅通过建立单流阀流道模型来进行分析，如图2所示，即为DF65-105单流阀的内部流场示意图。对于如图2所示的单流阀的内部流场，其出人口直径均为D=65mm。

　　根据CFD软件仿真分析的要求，对流动参数变化较大的区域，如：阀口收缩段、流动的换隙等地方，必须进行适当加密网格。因此，对于图2所示的单流阀内部流场，本文采用四面体网格划分整个计算流域，并对阀芯周围流域处网格进行加密处理，共生成299947个网格，57708个网格节点，生成的网格模型，如图3所示。

　　在流体动力学仿真分析中，边界条件是仿真分析的重要因素。对于本文研究的单流阀，根据其应用场合：液体介质流量为90.16m3/h、出口压力为70Mpa，可计算得到单流阀人口流体的速度为7.55m/s，因此，仿真分析时，设计单流阀入口流体介质的速度为7.55m/s、出口压力为70Mpa。此外，由于本文计算域模拟的为泥浆，继而选用的流体介质密度与泥浆相同，为1100kg/m3，运动黏度为0.015kg/ms-1。

　　1.3数学模型

　　模拟求解湍流流动目前最基本和应用最广泛的是标准k-ε模型，它是在湍动能k程的基础上引入湍流耗散率ε的方程而形成的，因其计算稳定性及可靠的计算精度而被广泛应用于工程流体和传热分析中。但标准k-ε方程推导过程中假设湍流为各向同性的均匀湍流，在计算旋流等非均匀湍流问题是存在较大的误差且忽略了分析黏性所带来的影响，仅适用于高雷诺数湍流运动。

　　针对单流阀阀芯处流体的湍流运动，考虑到标准k-ε模型用于强旋流或有弯曲壁面的流动时会出现失真，因此应用改进后的RNGk-ε模型，RNGk-ε模型方程可表示为：

　　2结果与讨论

　　不同开度下所计算得到的单流阀压降值，如表1所示。单流阀在不同开度下的进出口压降变化规律，如图4所示。

　　从图4中可以看出.开度在10%～20%时.随开度的增加，压降快速下降;开度在20%～40%时，压降基本保持不变;而当开度增加到40%～80%时，压降随开度的增加又呈线性下降趋势。因此，在整个不同开度的范围内，开度越小，阀芯对介质的阻力越大，继而阀前后产生的压降越大，流体介质的能耗损失也就越大。而不同开度下泥浆流体介质在单流阀流道内的速度云图，如图5所示。

　　从图5中可以看出，在所分析的8种不同开度下，整个流道区域内，阀芯出口处倾斜流道的流体运动速度均大于其他区域的流体运动速度。而流体速度矢量分布图，如图6所示，泥浆流速越大，通过单流阀节流口后形成的高速流体冲向壳体的冲击也就越大;由于泥浆中颗粒物质的存在，对壳体产生的切削作用将很快击穿壳体壁，使得单流阀失效。因此，从不同开度下的速度云图5可知，单流阀阀芯出口处倾斜区域的流道将是冲蚀最明显的部分。此外，由图5速度云图也可知，当开度为60%～80%时，流体在流道内局部区域的流速更大，且更靠近流道壁面，因此，当单流阀的开度为60%～80%时，流道内流体对壁面的冲蚀将大于开度为10%～50%的情况。

　　由图5中速度云图的分析已知：当单流阀的开度为60%～80%时，单流阀阀芯出口处倾斜流道内壁面的冲蚀将大于开度为10%-50%的情况。因此，为了对单流阀的流道结构进行优化，本文选择开度为60%时的情况来进行研究。单流阀阀芯出口处倾斜流道角度分别为48、50、53和55°时流道内泥浆的速度矢量图，如图7所示。

　　从图7可知，当单流阀阀芯出口处流道倾斜角度由48°增加至55°时，泥浆流动方向在流道角度为55°时发生了明显改变，泥浆流体在通过阀芯后，其流动方向沿着单流阀末端表面的切线方向射出。继而，当流体流动的切线方向与单流阀壳体的中轴线平行时，可减轻高速泥浆流体对单流阀壳体的冲蚀，延长单流阀的使用寿命。此外，从流体运动的流线图也可知，当倾斜流道角度为55°时，流线基本是沿阀芯的弧形斜面进入下阀腔，继而表明流体流动的方向与阀芯的结构形式基本一致.阀芯的结构对泥浆流体的流向起导向作用，因此，对阀芯结构的改进有重要的指导作用。

　　所以，由图7的结论可知，在对单流阀流道进行设计时不宜讓单流阀阀芯流人通道和流出通道拐弯过大，这样可以尽可能减轻泥浆对单流阀的冲蚀磨损。

　　3结论

　　本文通过建立DF65-105型单流阀流道模型，并基于CFD软件仿真分析了泥浆流体对单流阀冲蚀的影响，继而在此基础上对单流阀流道结构进行优化，以减轻泥浆对单流阀壳体的冲蚀作用、延长其使用寿命，仿真研究结果可得出以下结论：

　　1)在10%～80%的开度范围内，随单流阀的开度增加，对应的泥浆流体压降逐渐减小，但开度为60%～80%时泥浆流体对单流阀壳体的冲蚀作用将大于开度为10%50%的工况：

　　2)在单流阀的开度为60%工况下，当阀芯出口处的倾斜通道角度分别为48、50、53和55°时，55°的倾角结构更有利于减轻泥浆对单流阀壳体的冲蚀作用。因此，对单流阀流道进行设计时应尽量避免阀芯人口处流道和出口处流道拐弯过大。

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文章名称： 基于CFD单流阀结构优化设计

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