基于Workbench Fluent對閥門流量分析的應(yīng)用研究

李建剛，徐翠翠，施俊杰，王清清

（江蘇神通閥門股份有限公司，江蘇 啟東 226200）

閥門為截斷、接通流體通路或改變流向、流量及壓力值的裝置。對于流體系統(tǒng)，閥門的流量系數(shù)代表了閥門在管道流體系統(tǒng)中的流通能力也可理解為閥門在管道系統(tǒng)的能量消耗。當(dāng)然，通過流量試驗得出閥門的流量系數(shù)會更加準(zhǔn)確，但如果需要進(jìn)一步優(yōu)化流量系數(shù)，需要重新優(yōu)化設(shè)計和制造，增加了企業(yè)成本，延長了產(chǎn)品的開發(fā)周期。Workbench Fluent仿真分析的應(yīng)用可在產(chǎn)品生產(chǎn)制造之前，就對閥門進(jìn)行流量分析驗證，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

1 閥門流量分析遵循標(biāo)準(zhǔn)

閥門流量分析與流量試驗方法一致，遵循GB/T30832-2014《閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗方法》，對于閥門的流量分析，通過三維軟件建立閥門三維模型，同時按照圖1，分別建立L1以及L2、L3的標(biāo)準(zhǔn)管道模型，其中L2的管道長度應(yīng)大于或等于5倍閥門公稱口徑尺寸，L3的管道長度應(yīng)大于或等于10倍閥門公稱口徑尺寸，L1應(yīng)等于L2和L3之和，并依據(jù)圖1的布置方式和順序連同閥門模型建立流體分析三維模型。并根據(jù)GB/T30832-2014里的Kv或Cv公式計算得出閥門的流量系數(shù)。

圖1 流體仿真分析布置圖

2 Workbench Fluent簡介

Fluent 是一款在Workbench中集成的軟件，利用經(jīng)認(rèn)證的計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)計算三維模型內(nèi)外的流體（氣體或液體）狀態(tài)，可用來模擬從不可壓縮到高度壓縮范圍內(nèi)復(fù)雜流動。由于該軟件采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。

Fluent被廣泛用于對設(shè)計優(yōu)化和性能分析要求極高的多種行業(yè)及各種應(yīng)用，如閥門和調(diào)節(jié)閥、液壓組件和充氣組件、熱交換器、渦輪設(shè)計、電子設(shè)備，以及航空航天、石油天然氣、汽車設(shè)計等許多其他產(chǎn)品。

3 Fluent分析步驟

3.1 閥門流體分析的三維建模

通過三維軟件對閥門及管道進(jìn)行三維特征造型建模。目前大多數(shù)三維建模軟件的參數(shù)化和特征造型技術(shù)可滿足絕大部分的工程設(shè)計的需要。既能真實反映實際設(shè)計原型，也可考慮計算的真實性和可行性，對三維模型進(jìn)行局部位置的簡化。

建立管道L1、L2和L3的三維管道及閥門模型，并依據(jù)圖1的流量試驗管道布置方式，裝配三維流量分析模型。閥門流量分析模型見圖2、管道流量分析模型見圖3。其中L1長度為15DN，L2長度為5DN，L3長度為10DN。

圖2 閥門和管道三維模型

圖3 L1長度的管道三維模型

3.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)圖2和圖3的模型在Fluent軟件中反向建模得出模型內(nèi)部流域三維實體，并對該流域三維實體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。完成網(wǎng)格劃分后，分別設(shè)置圖2的1側(cè)為進(jìn)口，2側(cè)為出口，圖3的3側(cè)為進(jìn)口，4側(cè)為出口。設(shè)置進(jìn)口和出口是為了后期設(shè)置邊界條件和監(jiān)控該處壓力等數(shù)據(jù)。

3.3 流量分析設(shè)置

（1）首先設(shè)置流量分析的介質(zhì)和流體狀態(tài)，對于常用的流量分析的介質(zhì)，例如水、氣體、蒸汽等。在Fluent模塊中已收錄了常用的流量分析介質(zhì)。在此，我們設(shè)置介質(zhì)為水。

（2）設(shè)置流體分析的邊界條件，一般對于閥門的流量分析，主要設(shè)置進(jìn)口流體速度和出口的壓力兩個邊界條件。一般設(shè)置流體速度為1～5m/s，出口的壓力設(shè)置為環(huán)境壓力。

（3）計算模型選擇通用的Standard K-epsilon。求解方法選擇基于單元的格林-高斯法，求解精度均設(shè)為二階迎風(fēng)精度。

（4）設(shè)置進(jìn)口壓力和出口速度值的監(jiān)測，用于得出計算結(jié)果的進(jìn)口壓力和出口流速，同時可以方便在分析過程中檢測進(jìn)口壓力和出口流速的收斂性。

3.4 分析結(jié)果后處理

通過Fluent軟件中面目標(biāo)可得出，L1入口處的壓力p1，L2進(jìn)口處的壓力p2以及L1、L3出口處的流速等數(shù)據(jù)。p1和p2的差值就是閥門的凈壓差△pv。同時，也可以得出閥門的流量、流速、壓力云圖，可以幫助分析人員更加直接的觀察閥門的流體狀態(tài)。

3.5 流量計算

通過分析結(jié)果得出壓力和流量可根據(jù)GB/T30832-2014的公式：

式中，Q為流體水的流量，m3/h；Δpv為閥門的凈壓差，kPa；ρ為水的密度，kg/m3；ρ0為15℃時水的密度，kg/m3。

模擬分析時，為減少偶然性的影響，采用不同流速邊界條件分別進(jìn)行分析，以確保最終分析結(jié)果更加接近實際，經(jīng)過多個流速分析與實際流量試驗及對比，得出采用不同流速得出的結(jié)果平均值更加接近流量實測結(jié)果。以DN250和DN350中線蝶閥為例，經(jīng)過按照0.1m/s、0.5m/s、1m/s、2m/s、5m/s等幾個流速加載模型進(jìn)行流量分析，得出的Kv的平均值分別5274.72m3/h和9917.06m3/h，該閥門在合肥通用所進(jìn)行的流量實測值分別為5193.97m3/h和9840.33m3/h。流量分析與流量試驗誤差在2%以內(nèi)，達(dá)到了工程實際使用數(shù)據(jù)誤差范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

由此可見，Workbench的Fluent模塊的閥門流量模擬分析數(shù)據(jù)可應(yīng)用于實際工程，同時在設(shè)計階段就可驗證和優(yōu)化閥門流道?？山档推髽I(yè)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。