基于動網(wǎng)格的球閥流場數(shù)值模擬與分析

鄺先進，朱華炳

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

球閥在管路中主要用來做切斷、分配和改變介質(zhì)的流動方向。在工作過程中，由于對流體的阻止作用以及不同開度的影響引起流場結(jié)構(gòu)的變化以及復雜渦系的產(chǎn)生，從而導致水頭損失，尤其是在球閥突然啟閉的過程中，流量變化，引起壓強等參數(shù)的劇烈變化，不但流動損失會加劇，而且會有劇烈的沖擊與振動。這種沖擊和振動往往導致閥體的變形與疲勞破壞，繼而影響控制和調(diào)節(jié)精度，嚴重可能致使整個系統(tǒng)工作失靈[1-2]。

近年來，隨著計算流體動力學(CFD)和計算機技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學者對球閥內(nèi)部流動做了大量研究工作，大多是針對球閥內(nèi)部流場的靜態(tài)數(shù)值模擬分析[3-6]。靜態(tài)的數(shù)值模擬分析局限于定?；蚍嵌ǔｌo態(tài)(即閥門靜止)研究，找出不同開度、受力、流噪聲等與流動參數(shù)之間的關(guān)系，忽略了設(shè)計工作中需考慮的變工況及開關(guān)等過程。此外，人們對球閥閥體的分析一般都是從受力的角度討論其各部分結(jié)構(gòu)的強度和剛度，也忽視了流體壓力變化隨機激勵，產(chǎn)生強烈的共振現(xiàn)象。

本文針對球閥啟閉過程，應用FLUENT軟件動網(wǎng)格技術(shù)結(jié)合計算流體力學基本理論進行分析，得到了啟閉過程中流場結(jié)構(gòu)和受力變化情況。

1 數(shù)學模型

球閥內(nèi)部的流動可用雷諾時均N-S方程來描述，并采用標準k-ε紊流模型使方程組封閉，為便于數(shù)值計算，對球閥流場進行如下簡化：球閥流道計算區(qū)域內(nèi)流體為不可壓縮流體；忽略熱傳遞和能量交換。其基本方程組[7-8]如下：

連續(xù)性方程：

(1)

雷諾方程：

(2)

(3)

式中：μeff=μ+μt;μ=ρCμk2/ε。

k-ε兩方程模型：

(4)

(5)

式中：ρ是液體密度；μ是動力粘度；μt是湍動粘度；u、v是速度矢量在x、y方向上的分量，p是作用在流體微元體上的壓力；Fx、Fy是作用在微元體上的體力；k是湍動能；σk是與k對應的普朗特數(shù)；ε是湍流耗散率；σz是與ε對應的普朗特數(shù)；模型經(jīng)驗常數(shù)取值分別為：C1z=1.44，C2z=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σz=1.3。

2 動網(wǎng)格技術(shù)

2.1 動網(wǎng)格控制方程

流場控制模型是基于流域固定形狀的情況，當采用動網(wǎng)格技術(shù)后，計算區(qū)域是變化的，所以要對上述流場控制模型進行改造，即考慮動邊界移動的影響，表達式[9]如下：

(6)

式中：φ是通用變量；Vs是控制體積，m3；Ls是控制體積的邊界；u流體時均速度，m/s；ug是動網(wǎng)格邊界移動速度，m/s；n是Ls上方向朝外的法向單位向量；Γ是擴散系數(shù)；qφ是源項。

2.2 動網(wǎng)格設(shè)置

通過編寫的Profile文件控制閥芯轉(zhuǎn)動，動網(wǎng)格技術(shù)用于調(diào)整和更新閥門運動后的網(wǎng)格。根據(jù)閥芯運動幅度和旋轉(zhuǎn)角度變化較大，采用動網(wǎng)格技術(shù)中動態(tài)層結(jié)合局部重劃的網(wǎng)格更新方法實現(xiàn)網(wǎng)格重新劃分。

控制過程為，先讓閥芯在0.9s內(nèi)以100°/s的理想化勻轉(zhuǎn)速開啟到全通，自動保存這一過程中每10°的數(shù)據(jù)結(jié)果。開啟完成后，暫不立即關(guān)閉球閥，而是等待一段時間，避免開啟過程中的慣性影響后續(xù)模擬結(jié)果。暫停足夠長時間之后，按原路程同轉(zhuǎn)速關(guān)閉閥芯，保存過程中的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3 模型與網(wǎng)格

3.1 幾何模型

根據(jù)球閥的閥體和閥芯均以閥中心線對稱布置，可以假設(shè)流體只有軸向和徑向流動，無切向流動，考慮到流體在球閥閥體內(nèi)流動的對稱性，選取通過軸線的一個流體截面進行分析。即可以把軸對稱的球閥簡化為二維結(jié)構(gòu)，利用FLUENT前處理軟件Gambit建立球閥結(jié)構(gòu)。以某閥門廠固定式球閥型號2"300LB為對象建立幾何模型，該球閥通徑50 mm，全長216 mm，閥芯直徑88 mm。

3.2 計算網(wǎng)格與邊界條件

采用非結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格劃分流場。考慮到閥芯在轉(zhuǎn)動過程中附近的網(wǎng)格變化劇烈，需要重新劃分，故球體邊緣網(wǎng)格加密，網(wǎng)格如圖1所示。初始網(wǎng)格共36 530個單元，18 729個節(jié)點。

邊界條件設(shè)置球閥左側(cè)為速度入口(velocity-inlet)，速度為0.5 m/s，根據(jù)速度流量的關(guān)系式，流經(jīng)面積即通徑截面，流量為1 kg/s。右側(cè)設(shè)置為自由出口(outflow)，壓力為0(相對于大氣壓)。

圖1 網(wǎng)格劃分結(jié)果示意圖

4 流場仿真及分析

4.1 網(wǎng)格移動

在Profile運動邊界驅(qū)動機制控制下，閥芯有規(guī)律的開啟關(guān)閉。通過動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)的網(wǎng)格更新，網(wǎng)格重劃分具有較高的質(zhì)量。開啟過程中部分瞬時網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 動網(wǎng)格變化示意圖

4.2 流場結(jié)構(gòu)分析

動網(wǎng)格技術(shù)針對計算區(qū)域的幾何形狀隨時間變化的流體動力學進行瞬時動態(tài)模擬，可以捕捉球閥內(nèi)流場瞬時變化，特別是在分析閥內(nèi)漩渦的生成、運動、合并、分裂、脫落等水流特性，為球閥的設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及改進運行參數(shù)提供參考。在此選取具有代表性的4個時刻，即閥芯開啟、閥芯半開、閥芯半閉和閥芯關(guān)閉。這4個時刻涵蓋了球閥開閉動態(tài)的全部過程(圖3)。

圖3 瞬時流線圖

通過觀察圖3即對應各個階段球閥流場的瞬時流線圖可以發(fā)現(xiàn)，隨著閥芯轉(zhuǎn)動，在流道開啟的階段，初始的高速射流跟周圍流體的剪切作用引起流道流場結(jié)構(gòu)劇烈的變化，產(chǎn)生眾多大小不一的渦系，流道中流量較小，水頭損失嚴重；在流道開啟到60°瞬時，流道中的渦系合并成閥芯中的大漩渦，仍然存在較大的水頭損失，流道紊亂；在球閥關(guān)閉過程中，60°瞬時只有閥芯后側(cè)被壓區(qū)存在一個較為明顯漩渦，而關(guān)閉至30°時，流道開始紊亂，小渦系開始形成，關(guān)閉過程流場整體保持著較為規(guī)律的流向，流速快，水頭損失較小。開啟和關(guān)閉瞬時流場結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的不同。

4.3 受力變化

根據(jù)模擬閥門開閉過程自動保存的各瞬時數(shù)據(jù)，整理各個時刻的受力，可得到閥體(wall)和閥芯(ball)受力變化情況如圖4所示。圖中為了方便地比較開閉過程受力差異，故省去中間全開度等待過程，并且將關(guān)閉過程數(shù)據(jù)按0.9～0 s布置。即圖中開啟過程對應0.1～0.9折線，關(guān)閉過程對應0.9～0 s折線。

從圖中可以看出，閥體和閥芯受到粘性力的作用較為一致，且作用的力在開啟過程大于關(guān)閉過程。這是因為開啟過程中，流體從靜止到流動過程中需克服的流體粘性。在閥芯開度達到40°時，球閥受到的粘性力降低到可以忽略不計。考慮液體沖擊，球體和閥芯的總受力就不盡相同，閥體的總受力表現(xiàn)為關(guān)閉過程中受到小于開啟過程的流體沖擊力，且作用時間比開啟過程短；閥芯上的總受力相對均衡，圖線幾乎重合，表現(xiàn)出在開啟和關(guān)閉過程中受流體力保持著高度的一致，在小開度下受到劇烈的沖擊。

圖4 閥芯和閥體受力

5 結(jié)語

通過分析動態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1) 球閥開啟和關(guān)閉過程中流場結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出明顯的差異，開啟過程流場較為紊亂，存在大量渦系，水頭損失嚴重；關(guān)閉過程，流場保持著較好的流向，流速快，水頭損失較小。

2) 球閥在開啟和關(guān)閉過程中受到的粘性力大小相差很大，開啟時受到很大的粘性力作用，關(guān)閉過程中受到的粘性力則小很多；閥體和閥芯總受力也不相同，閥芯在開閉過程中所需克服阻力基本一致，閥體在開啟過程中則需承受較大的流體沖擊。

3) 通過動網(wǎng)格技術(shù)的運用，可以成功地模擬球閥開啟和關(guān)閉的動態(tài)過程。根據(jù)模擬得到的結(jié)果，能準確分析動態(tài)過程中流場結(jié)構(gòu)和所受力沖擊的變化情況，彌補了實驗的不足，為結(jié)構(gòu)和強度的設(shè)計及優(yōu)化提供思路和依據(jù)。

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