SMC電磁閥的起源、發展、功能、內襯材料

    SMC電磁閥是由于閥門流道的內部結構復雜，當流體通過法道時產生諸如漩渦、水錘和死水區等水流現象。這些現象嚴重危害系統工況，是造成系統水頭損失的主要因素。目前國內對各類閥門尤其是氨閥流道流動特性的研究尚未引起重視，在設計中基本上還是依據常規設計方法和經驗，只注重結構形式而不注重考慮壓力損失，從而引起較大的能耗，在實際氨系統中，閥門的流道壓力損失占整個系統的壓力損失的比例是相當大的。本文運用COSMOSFLOWORKS流體分析軟件，對兩種結構的氨用截止閥的壓力損失進行數值模擬對比分析。

    流程分析

    1、設定分析項目

    以DN40氨用截止閥為例，設內部流動的介質為水，依據JB/T5296-91的有關規定，選擇流動模型為單向流體的不可壓縮粘性流動，無氣穴現象，端墻設置為絕熱壁，采用不可壓縮流動的雷諾方程組與K-ε構成封閉的分析模型。圖1為兩種結構的氨閥二維平面對比圖。

    2、建模

    CFD分析屬于大型數值問題求解，為了縮短求解時間，模型應盡可能簡化。由于氨閥門的工況要求，介質由閥門右端進入閥門，左端流出閥門，所以我們設閥門右端為進口，左端為出口，又由于閥后流體的流動比較復雜，為了避免出口界面上產生渦流并使計算結果收斂，閥前延伸管道長度取管道直徑的五倍，閥后延伸管道取管道直徑的十倍，建模結果如圖2、圖3所示。

    3、兩種氨閥流道模型及網格劃分

    為流體的穩定流暢性，從進口到出口，通過內部流道組成分析用的封閉區域。網格劃分采用了非結構混合網格技術，利用COSMOSFLOWORKS的網格劃分功能對其進行網格劃分，采用自適應的網格技術對流場進行模擬。

    4、運行設置向導

    COSMOSFLOWORKS對于初始條件的設置提供了非常簡捷快速的操作界面。運行設置向導，依次對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，表示流體為一個標準大氣壓力下的水)—>default wall conditions(一般選絕熱壁)—>Result and Geometry Resolution(設置結果和幾何精度)。

    5、邊界條件

    SMC電磁閥要對氨閥進行流場數值模擬，需要設定氨閥的邊界條件，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的出口邊界條件。

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

    6、計算右鍵單擊配置名，選擇“Run”，就可以由系統開始計算，計算過程可以通過各種圖片進行實時監視。

    結果分析對比

    經過COSMOSFLOWORKS模擬計算，在相同的邊界條件下，兩種結構的氨用截止閥的結果對比如表1和表2所示。

    從表3可以看出，在出口靜壓和進口流量相同的情況下，圖2結構的進出口靜壓差為99503Pa，而圖3結構的進出口靜壓差為55576Pa，圖2結構是圖3結構的1.79倍，也就是說在相同的邊界條件下，圖2結構的壓力損失是圖3結果的1.79倍。

    是SMC電磁閥模擬的兩種結構的壓力云圖對比，通過對比可以看出，兩種結構的進出口已達到平壓狀態，通過顏色對比也可以看出，兩種結構出口處顏色一致，而進口處，圖2結構的顏色和圖3結構不相同，通過對比右邊色彩與壓力值柱狀圖可以看出，要達到相同的出口壓力，圖2結構比圖3結構需要更大的進口壓力。

    變換邊界條件

    設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，再次進行計算，結果如表4、表5所示。

    從表6可以看出，在進口靜壓和出口流量相同的情況下，圖2結構的進出口靜壓差為115525Pa，而圖3結構的進出口靜壓差為56100Pa，圖2結構是圖3結構的2.05倍，也就是說在相同的邊界條件下，圖2結構的壓力損失是圖3結構的2.05倍。

    說明

    由于條件有限，我們未對兩種結構的閥門進行相應的流體實驗，所以沒有具體的實驗結果，但由于我們模擬采用模型、條件，所以實際的實驗結果一定與我們模擬結果有所區別，但這并不會影響我們判斷兩種結構在特定條件下流暢能力方面的優劣。

    結論

    1、通過對比，我們可以看出，若介質從閥門右端進左端出的情況下，圖3結構的流通能力要優于圖2結構。

    2、我們可以利用類似的流場數值模擬仿真分析對比驗證氨閥產品的性能并進行優化設計。