某船用通海閥流道優(yōu)化仿真分析研究*

董自虎 李 超

(海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430064)

某船用通海閥流道優(yōu)化仿真分析研究*

董自虎 李 超

(海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430064)

論文介紹了閥門(mén)流阻系數(shù)計(jì)算方法及其測(cè)量方法,給出了閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬方法、計(jì)算區(qū)域、邊界條件。采用計(jì)算流體力學(xué)通用軟件 Fluent 對(duì)某船用通海閥內(nèi)流場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真計(jì)算,根據(jù)其可視化結(jié)果分析了影響通海閥性能和產(chǎn)生噪聲的原因。對(duì)通海閥的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),通過(guò)增加閥瓣開(kāi)啟行程、對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒角等措施,減小了管道壁面與流體的接觸面積,管道內(nèi)流體受壁面粘性的影響降低,降低湍流度,避免了流場(chǎng)局部出現(xiàn)駐點(diǎn),大大減小了速度梯度和壓力梯度,改善整個(gè)流場(chǎng),達(dá)到了降噪減阻的效果。分別對(duì)不同改進(jìn)型式建立了模型,并進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了改進(jìn)措施的合理與正確,為閥門(mén)的降噪減阻提供了重要參考依據(jù)和方法。

船用閥門(mén); 流道; 優(yōu)化; 仿真

(Navy Representative in NO.438 Factory, Wuhan 430064)

Class Number TP391

1 引言

閥門(mén)的流道結(jié)構(gòu)是流阻系數(shù)變化的主要因素,合理與否直接決定了流阻系數(shù)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求值[1～2]。另外,流道結(jié)構(gòu)不合理是振動(dòng)及噪聲產(chǎn)生的原因[3]。本文對(duì)某船用通海閥(規(guī)格DN15)內(nèi)流道進(jìn)行分析后利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)進(jìn)行仿真對(duì)比,分析降低流阻系數(shù)的有效措施。

2 閥門(mén)流阻系數(shù)及測(cè)量方法

閥門(mén)內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對(duì)于管路系統(tǒng)的其他部分遠(yuǎn)為復(fù)雜,對(duì)管路內(nèi)部流場(chǎng)有較大的影響,閥門(mén)流阻系數(shù)是反映閥門(mén)引起水頭損失的主要技術(shù)參數(shù)。

1) 閥門(mén)流阻系數(shù)

流阻系數(shù)是反映閥門(mén)對(duì)流場(chǎng)影響的重要指標(biāo),體現(xiàn)了閥門(mén)對(duì)管路系統(tǒng)造成的壓頭損失。國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通用閥門(mén)流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗(yàn)方法》(JB/T 5296-91)對(duì)各型閥門(mén)的流阻系數(shù)K定義如下

(1)

其中,ΔP定義為水流經(jīng)閥門(mén)時(shí)的壓力降,即：

ΔP=P入口-P出口

(2)

ρ為流體密度,V為流體速度。

2) 閥門(mén)流阻系數(shù)的測(cè)量

試驗(yàn)系統(tǒng)：閥門(mén)流阻系數(shù)測(cè)量的試驗(yàn)圖 1所示：

圖1 閥門(mén)流阻系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)系統(tǒng)

圖1測(cè)量系統(tǒng)中各部分的名稱(chēng)與功能如下：1為可控水源,為系統(tǒng)提供來(lái)流；2為溫度計(jì),以測(cè)量試驗(yàn)流體的溫度并由此確定流體的密度；3為節(jié)流閥,調(diào)節(jié)來(lái)流的速度；4為流量計(jì),用作測(cè)量管路中的流體流量；5為取壓孔；6為壓差測(cè)量裝置,測(cè)量閥門(mén)之前5倍直徑位置與閥門(mén)之后10倍直徑位置的壓力差(即5所示的位置)；7為待測(cè)閥門(mén)；8為調(diào)節(jié)閥門(mén)。

3) 試驗(yàn)程序

閥門(mén)的流阻系數(shù)測(cè)量試驗(yàn)需遵循以下程序與注意事項(xiàng)：

對(duì)無(wú)特殊說(shuō)明的產(chǎn)品,流阻系數(shù)都在閥門(mén)處于全開(kāi)位置測(cè)量；

試驗(yàn)閥安裝在圖示系統(tǒng)中,試驗(yàn)水溫為5℃～40℃；

在水流沒(méi)有脈動(dòng),達(dá)到穩(wěn)流狀態(tài)后記錄所有讀數(shù)；

測(cè)定并記錄次數(shù)不得少于五種流量下的壓力損失(除非產(chǎn)品另有說(shuō)明)這些流量應(yīng)包括最小流量至最大流量和介于它們之問(wèn)的均分流量；

測(cè)量流量應(yīng)保證產(chǎn)生紊流,但最小雷諾數(shù)Re為4*104；

本文通過(guò)有限體積法在計(jì)算域內(nèi)將上述控制方程建立離散方程組并求解,其中雷諾應(yīng)力項(xiàng)通過(guò)雷諾應(yīng)力模型模擬。

3 計(jì)算區(qū)域與邊界條件

1) 計(jì)算域

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)測(cè)量規(guī)程的方法,閥門(mén)的計(jì)算域如下：計(jì)算域包括管道與閥門(mén)流道兩部分,其中閥門(mén)入口前管道的長(zhǎng)度取閥門(mén)入口直徑的5倍；閥門(mén)出口后的管道長(zhǎng)度取閥門(mén)出口直徑的10倍。計(jì)算域的示意圖見(jiàn)圖 2 。

圖2 閥門(mén)內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算域示意圖

2) 邊界條件

對(duì)閥門(mén)的數(shù)值模擬中,邊界條件設(shè)置如下：入口采用壓力入口邊條,給定入口處的壓力值,出口采用壓力出口邊條,給定出口位置的靜壓力,并在計(jì)算過(guò)程中根據(jù)結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,使其流速接近實(shí)際的作業(yè)工況(3.5m/s)；閥體與閥芯的壁面采用固壁邊界條件,同時(shí)在數(shù)值計(jì)算中采用壁面函數(shù)的近壁處理方法。

3) 其它

數(shù)值模擬中流道內(nèi)流體采用15℃的海水,密度為1025.9kg/m3,物理粘度為1.1883×10-6m2/s。

4 流阻系數(shù)的計(jì)算

對(duì)于出入口直徑相同的閥門(mén),數(shù)值計(jì)算結(jié)果中的流阻系數(shù)計(jì)算均采用式(1)。對(duì)于出入口直徑不相同的各型閥門(mén),則利用Bernoulli公式計(jì)算壓頭損失,扣除加長(zhǎng)管道沿程損失后再計(jì)算閥門(mén)流阻系數(shù)。

各參數(shù)的取值方法:

對(duì)于出入口直徑相同的閥門(mén)類(lèi)型,式(1)中的壓差計(jì)算采用下式：

ΔP=ΔP1-ΔP2

(3)

式中△P1為管道出入口的壓力差,在邊界條件指定時(shí)已確定；△P2為閥門(mén)入口前與出口后的管道所造成的壓力損失,由以下方法獲得：

取入口段管道中流場(chǎng)相對(duì)均勻的長(zhǎng)度為l的管段為對(duì)象(如從管道入口長(zhǎng)度4d的一段),計(jì)算該段所造成的沿程損失△P2,并由下式計(jì)算加長(zhǎng)管道L的沿程損失：

(4)

對(duì)于出入口直徑相同的閥門(mén)類(lèi)型,式(1)中的速度取為入口位置的平均速度(等于出口位置的平均速度)。

對(duì)于出入口直徑不同的閥門(mén)類(lèi)型,式(1)中的壓差計(jì)算采用下式：

ΔP=ΔPt1-ΔP2

(5)

式中△Pt1為管道出入口的總壓差(總壓定義為Pt=P+0.5ρv2),在邊界條件指定時(shí)已確定；△P2為閥門(mén)入口前與出口后的管道所造成的壓力損失,由以下方法獲得：

分別取入口段及出口段管道中流場(chǎng)相對(duì)均勻的長(zhǎng)度l入、l出的管段為對(duì)象,計(jì)算各段所造成的沿程損失△P入、△P出,并由下式計(jì)算管道的沿程損失：

(6)

對(duì)于出入口直徑不相同的閥門(mén)類(lèi)型,式(1)中的速度分別取入口與出口位置的平均速度計(jì)算相應(yīng)流阻系數(shù)。

5 舷側(cè)閥內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬

首先對(duì)原型閥(表示為 SCHEME1)的閥門(mén)流道進(jìn)行了數(shù)值模擬,并進(jìn)行了閥門(mén)型式的改型,共進(jìn)行了兩次改型。因此對(duì)該型閥門(mén)共進(jìn)行了三種型式閥門(mén)內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬,分別以 SCHEME1、SCHEME2、SCHEME3 表示。不同型式閥門(mén)的主要區(qū)別為：SCHEME1 型式的閥門(mén)閥瓣結(jié)構(gòu)為圓柱,開(kāi)啟行程為 10mm；SCHEME2型式的閥門(mén)閥瓣結(jié)構(gòu)為圓柱,開(kāi)啟行程為 12mm；SCHEME3 型式為在 SCHEME2 的基礎(chǔ)上將閥瓣倒角,倒角規(guī)格為 45°*3mm。

1) 數(shù)值模型

閥門(mén)的計(jì)算模型如圖 3 所示,其中流道模型參考標(biāo)準(zhǔn)《通用閥門(mén)流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗(yàn)方法》分別在閥門(mén)入口前增加了 5倍入口直徑的入流段管道[4～5],在閥門(mén)出口后增加了 10 倍直徑的出流段管道：

圖3 船用通海閥計(jì)算模型

邊界條件設(shè)置如下：

· SCHEME1：

入口：壓力入口邊界,給定該位置壓力值P=2.0927*104Pa；

出口：壓力出口邊界,給定該位置壓力值P=0Pa；

· SCHEME2：

入口：壓力入口邊界,給定該位置壓力值P=1.9886*104Pa；

出口：壓力出口邊界,給定該位置壓力值P=0Pa；

· SCHEME3：

入口：壓力入口邊界,給定該位置壓力值P=1.6629*104Pa；

出口：壓力出口邊界,給定該位置壓力值P=0Pa。

2) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及優(yōu)化分析

圖4 CHEME1流道對(duì)稱(chēng)面速度分布云圖(m/s)

圖5 CHEME1流道對(duì)稱(chēng)面壓力分布云圖/Pa

圖6 CHEME1流道對(duì)稱(chēng)面速度矢量圖

壓降是一種能量損失,它是由液體流動(dòng)時(shí)克服內(nèi)、外摩擦力和克服湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)間相互碰撞并交換動(dòng)量引起的。若想降低壓降,就要盡可能的降低管道內(nèi)流體的內(nèi)外摩擦力和湍流。CHEME1的內(nèi)部流場(chǎng)細(xì)節(jié)見(jiàn)圖 4流道對(duì)稱(chēng)面速度分布云圖、圖 5流道對(duì)稱(chēng)面壓力分布云圖、圖 6流道對(duì)稱(chēng)面速度矢量圖。

CHEME1的流動(dòng)參數(shù)及流阻系數(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 SCHEME1流阻系數(shù)計(jì)算表

在CHEME1的壓力云圖中可以看到,低壓力點(diǎn)在A處,再參考CHEME1中的速度云圖及速度矢量圖,可以看到在該點(diǎn)處存在明顯的湍流?；诖?可以考慮通過(guò)降低整個(gè)管道內(nèi)流場(chǎng)的湍流度,來(lái)降低閥的內(nèi)部壓降,進(jìn)一步降低流阻系數(shù)。

圖7 CHEME2流道對(duì)稱(chēng)面速度分布云圖(m/s)

湍流的成因主要有兩個(gè)方面,一是粘性,二是壓力和速度梯度[6]。首先從粘性角度考慮,如果將閥件的開(kāi)啟行程增大,可以認(rèn)為是減小了管道壁面與流體的接觸面積,管道內(nèi)流體受壁面粘性的影響降低,有利于改善整個(gè)流場(chǎng),降低湍流度。基于此,算例2增大開(kāi)啟行程,將算例1 的10mm調(diào)整為12mm,

同樣進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,得到速度分布云圖、壓力分布云圖、速度矢量圖,分別如圖7、圖8、圖9。

圖8 CHEME2流道對(duì)稱(chēng)面壓力分布云圖/Pa

圖9 CHEME2流道對(duì)稱(chēng)面速度矢量圖

CHEME2的流動(dòng)參數(shù)及流阻系數(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 SCHEME2流阻系數(shù)計(jì)算表

圖10 CHEME3流道對(duì)稱(chēng)面速度分布云圖(m/s)

通過(guò)CHEME1與CHEME2計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,可以看到CHEME2的流場(chǎng)相比CHEME1 流場(chǎng)的湍流度有了將為明顯的降低,整個(gè)流場(chǎng)得到了改善。再對(duì)比計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表,可以發(fā)現(xiàn),CHEME2的閥門(mén)壓降要小于CHEME1,其流阻系數(shù)也得到了較為明顯的減小。通過(guò)進(jìn)一步分析CHEME2的速度云圖與速度矢量圖,發(fā)現(xiàn)在B處仍然有較大的湍流,如果能進(jìn)一步改善該處流場(chǎng),流阻系數(shù)將得到進(jìn)一步的降低。

這里主要考慮通過(guò)降低壓力和速度梯度的途徑來(lái)改善流場(chǎng),降低湍流度[7～9]。通過(guò)CHEME2的速度矢量分布圖可以看到,在管道壁面的C點(diǎn)處存在一個(gè)駐點(diǎn),而這個(gè)駐點(diǎn)的存在導(dǎo)致該區(qū)域范圍內(nèi)的流體速度梯度與壓力梯度顯著增加,可以認(rèn)為這是導(dǎo)致B處較大湍流的主要原因。如果將C點(diǎn)附近區(qū)域進(jìn)行倒圓角處理,相當(dāng)于避免了流場(chǎng)在C點(diǎn)附近處出現(xiàn)駐點(diǎn),大大減小了附近范圍內(nèi)的速度梯度和壓力梯度,將有益于該區(qū)域范圍的流場(chǎng)改善,降低湍流度。基于這種考慮,在CHEME2 的基礎(chǔ)上將C點(diǎn)附近倒圓角處理,將此種情況定義為CHEME3 ,同樣進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,所得計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖 10～圖 12。

圖11 CHEME3流道對(duì)稱(chēng)面壓力分布云圖/Pa

圖12 CHEME3流道對(duì)稱(chēng)面速度矢量圖

CHEME2的流動(dòng)參數(shù)及流阻系數(shù)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 SCHEME3流阻系數(shù)計(jì)算表

備注：流阻系數(shù)計(jì)算表中流阻系數(shù) 1：以入口流速為特征速度計(jì)算所得的流阻系數(shù)；流阻系數(shù) 2：以出口流速為特征速度計(jì)算所得的流阻系數(shù)(若入口與出口直徑相同,二者理論上相等,但由于數(shù)值截?cái)嗾`差兩個(gè)結(jié)果會(huì)略有差別)。

通過(guò)對(duì)比CHEME2與CHEME3的壓力分布云圖、速度分布云圖和速度矢量圖,可以發(fā)現(xiàn)CHEME3的流場(chǎng)得到了進(jìn)一步的改善,湍流度進(jìn)一步減小。而表2和表3的數(shù)據(jù)對(duì)比也表明,CHEME3的壓降更小,流阻系數(shù)相比于CHEME2進(jìn)一步降低。

CHEME1、CHEME2、CHEME3的流場(chǎng)流線圖如圖 13,可以看出流場(chǎng)依次得到了改善,而表1～表3的數(shù)據(jù)對(duì)比也說(shuō)明流阻系數(shù)得到了明顯的降低。由此得出可以看出,CHEME3的流道設(shè)計(jì)為最優(yōu)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)DN15舷側(cè)閥閥門(mén)流道內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬,該型閥門(mén)原型流阻系數(shù)為 3.03,若將閥瓣行程增加為 12mm,則流阻系數(shù)為 2.85；若在增加行程的基礎(chǔ)上對(duì)閥門(mén)倒角(規(guī)格 3mm*45°),則流阻系數(shù)降低至 2.21,流阻系數(shù)得到明顯的降低。表明通過(guò)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)啟行程、對(duì)閥瓣進(jìn)行適當(dāng)?shù)菇堑却胧┛梢杂行Ы档烷y門(mén)的流阻系數(shù),為同類(lèi)型閥門(mén)的減阻降噪提供了重要參考和方法。

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Marine Valve Flow Optimization Simulation Analysis and Research

DONG Zihu LI Chao

Paper introduces the valve flow resistance coefficient calculation method and the method of measurement, and gives a numerical simulation of valve interior flow field, the calculation area and boundary conditions. Using computational fluid dynamics of a marine general software Fluent in Kingston is used to simulate distribution of the flow field, according to the visual results of the visual analysis of the reason of impact valve performance and the noise is analyzed. Flow channel of valve structure is improved, by increasing the stroke of disc opens and chamfering of local structure, reduced the contact area of the pipe wall and fluid is veduced, the influence of viscosity of the pipe fluid from wall is reduced, reduce turbulence, the local appear stagnation point flow field is avoided, greatly reduced the velocity gradient and pressure gradient are reduced greatly, the whole flow field is imporved, the effect of noise reduction drag reduction is achieved. The different improved patterns are modeled respectively, and the comparison and analysis are carried on, it shows the improvement measures are reasonable and correct, for drag reduction and noise reduction important reference basis and methods are provided.

marine valve, flow, optimization, simulation

2016年6月11日,

2016年7月20日

董自虎,男,碩士研究生,工程師,研究方向:艦船質(zhì)量監(jiān)造、艦船系統(tǒng)減振降噪。李超,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:艦船質(zhì)量監(jiān)造、艦船系統(tǒng)減振降噪。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.022