基于AcuSolve的空調(diào)用截止閥流通性能的仿真與試驗(yàn)

賀宇辰

摘要：針對空調(diào)用多種型號截止閥，建立了對應(yīng)各型號截止閥的流體仿真模型，采用Altair公司流體仿真分析軟件AcuSolve對4種型號截止閥進(jìn)行流通性能仿真計(jì)算，4種規(guī)格截止閥流量系數(shù)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)值的最大誤差為3 .47%，最小的誤差僅為1.78%，全部低于工程常用5%誤差以下的考察標(biāo)準(zhǔn)，證明仿真分析的準(zhǔn)確合理性。研究結(jié)果對空調(diào)用截止閥的流通能力設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供參考。

關(guān)鍵詞：截止閥;Acusolve;流通性能;仿真分析

中圖分類號：TB657; TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-9492f 2022）02-0133-04

0 引言

截止閥是空調(diào)系統(tǒng)中必不可少的一種控制部件。在空調(diào)系統(tǒng)管路中，起制冷劑傳輸切斷和流動方向調(diào)節(jié)等作用[1]。由于截止閥的結(jié)構(gòu)特性一般為直角轉(zhuǎn)彎形式，這就導(dǎo)致其無法擁有良好的流通性能。2019年國家多部委聯(lián)合印發(fā)《綠色高效制冷行動方案》提出，在2017年基礎(chǔ)上，到2022年，我國家用空調(diào)等制冷產(chǎn)品的市場能效水平提升30%以上，綠色高效制冷產(chǎn)品市場占有率將提高20%;到2030年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷總體能效水平需提升25%以上，綠色高效制冷產(chǎn)品市場占有率提高到40%以上。這就對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能要求提出很高的要求。截止閥作為空調(diào)系統(tǒng)管路中一個重要部件，提高其流通性能，即截止閥的流量系數(shù)值，也引起各大空調(diào)廠商越來越多的重視，因此有必要對截止閥流通能力進(jìn)行研究，了解影響截止閥流通能力的因素，進(jìn)而提升其流通能力。

對于閥類流動的研究，之前也有很多研究，早期主要以試驗(yàn)為主[2]，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果可靠，缺點(diǎn)是周期較長，成本較高。近些年來，計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)性能及仿真技術(shù)的提升，產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化也逐步從理論計(jì)算和試驗(yàn)研究逐步向仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證的方向過渡，國內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)也對此進(jìn)行了大量的研究，取得很好的成果[3-10]。本文利用Altair公司仿真平臺HyperWorks的前處理模塊HyperMesh對某空調(diào)用截止閥進(jìn)行網(wǎng)格劃分前處理，使用基于有限元方法的AcuSolve求解器進(jìn)行分析計(jì)算，并將仿真分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證仿真分析模型和方法的準(zhǔn)確性，為后續(xù)新品開發(fā)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 控制方程及流通性能參數(shù)

1.1 質(zhì)量方程

截止閥流量系數(shù)測試過程中，通過截止閥管路的流體介質(zhì)為常溫狀態(tài)下的水，可視為流體密度不變的穩(wěn)定流動，質(zhì)量守恒方程為：

P1=p2（1）

V1A1=V2A2=Q式中：p為水的密度，kg/m3;V為流速，m/s;A為截面面積，m2;p為體積流量，m3/s。

式（1）表示進(jìn)出口截面A處的體積流量Q相同，流體密度p相同，因此流體質(zhì)量也相同。

1.2 伯努利方程

伯努利方程的實(shí)質(zhì)是能量守恒，與本文中對應(yīng)的流體流動，伯努利方程可表達(dá)為：速度壓頭+幾何壓頭+壓力壓頭=常數(shù)。分別用hv、hg和hp表示上述幾個壓頭，壓頭單位為m。速度壓頭是由流體速度產(chǎn)生的高度，幾何壓頭是流體所處的位置高度，壓力壓頭是流體重量所產(chǎn)生的高度。

其中，下標(biāo)1和2分別表示所選取的截面，式（3）表示當(dāng)流體穩(wěn)定流動時，管路上任何位置截面的總壓頭為常數(shù)。

流體在水平放置截止閥流動過程中，在截止閥閥門前后速度一致的情況下，閥門前后會產(chǎn)生一定的壓力下降，也稱截止閥進(jìn)出口壓差。由于能量守恒，那么下降的壓力必然轉(zhuǎn)化為流體的內(nèi)能，因此實(shí)際的流體伯努利方程式為：

1.3 截止閥的阻力系數(shù)

通過截止閥前后的壓差可以表示為流體流經(jīng)閥門的能力損失，因此理想流體經(jīng)過截止閥的能量壓頭損失表示為：

1.4 截止閥流量系數(shù)

根據(jù)國標(biāo)CBT 30832-2014《閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》，流量系數(shù)Kv定義為5-40℃溫度范圍的水流經(jīng)閥門，兩端壓差為100 kPa時，以m3/h計(jì)的流量數(shù)值，為Kv值[13]。流量系數(shù)Kv計(jì)算公式為：

2 數(shù)值模型及分析設(shè)置

本文采用Altair公司HyperWorks仿真平臺的CFD軟件AcuSolve進(jìn)行截止閥流通性能分析。該軟件可用于不可壓縮到微可壓縮范圍（馬赫數(shù)小于1）的復(fù)雜流動分析。由于AcuSovle基于有限元法，因此不但計(jì)算過程收斂速度較快，而且精度也較高。AcuSolve采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限元法，在完全非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格上保持高度的精確性，利用四面體網(wǎng)格自動生成方式可以大幅度降低網(wǎng)格生成的難度，提升分析效率。對于空調(diào)用截止閥這種小型部件，尤其是閥芯位置處特征較小的部位，有很好的適用性。AcuSolve的物理模型也較為豐富，可以計(jì)算層流、湍流、無粘流等流動分析工況。

2.1 研究模型

本文研究對象為空調(diào)用截止閥，在三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks中建立流通內(nèi)徑分別為4 mm、8 mm、10 mm和13 mm四種規(guī)格的幾何三維數(shù)據(jù)，命名分別為DC4、DC8、DC10和DC13。本文所有建模和分析圖示都以4 mm內(nèi)徑規(guī)格的截止閥為例，如圖1所示。研究內(nèi)容為截止閥內(nèi)部的流動，暫不考慮制冷劑局部壓力變化形成的相變流動。其中，在制冷工況下，圖中截止閥閥座相連接接管為進(jìn)口接管，閥身側(cè)面相連接的接管為出口接管;在制熱工況下，制冷劑的流動方向與制冷工況相反。

2.2 網(wǎng)格模型建立

計(jì)算網(wǎng)格的質(zhì)量是數(shù)值計(jì)算精度和計(jì)算速度的保證，本文采用HyperWorks仿真平臺專業(yè)前處理工具Hy-perMesh進(jìn)行幾何前處理和網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分前對計(jì)算域進(jìn)行流道抽取，劃分網(wǎng)格時對閥芯等幾何特征較小的地方進(jìn)行加密，避免幾何失真，保證精度，提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。計(jì)算表面網(wǎng)格總數(shù)約312 994，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為156 499，計(jì)算域如圖2所示，表面網(wǎng)格模型閥芯處局部放大圖如圖3所示。

分析模型的體網(wǎng)格在AcuSolve的求解前處理模塊AcuConsole進(jìn)行設(shè)置和生產(chǎn)?？紤]計(jì)算精度和準(zhǔn)確性，設(shè)定體網(wǎng)格整體尺寸為，閥芯處加密尺寸為，邊界層設(shè)定為3層，邊界層厚度為3 mm，提交生成計(jì)算體網(wǎng)格總數(shù)為3 251 978，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為932 445。計(jì)算域體網(wǎng)格模型局部圖如圖4所示，對體網(wǎng)格模型進(jìn)行切面處理，查看內(nèi)部網(wǎng)格模型，局部區(qū)域界面圖如圖5所示。

2.3 邊界條件設(shè)置

為了與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，邊界條件的設(shè)置與工程實(shí)際盡量一致，工況參照國標(biāo)CBT 30832-2014《閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗(yàn)方法》，流動方向?yàn)橹评涔r下工質(zhì)流動方向，具體邊界設(shè)置如下：流動工質(zhì)為水，人流均勻，工作狀態(tài)下，流體域進(jìn)口為壓力邊界條件，由于進(jìn)出口管徑相同，指定進(jìn)出口邊界壓力統(tǒng)一為靜壓，設(shè)定壓力值為0.1 MPa;流體域出口指定壓力邊界條件，靜壓為0 Pa。同時需要對邊界條件做一些簡化設(shè)定：（1）不考慮換熱對流動的影響，包括輻射換熱、對流換熱等;（2）流動過程壓力和速度較低，認(rèn)為工質(zhì)水為不可壓縮流體;（3）進(jìn)出口壓力恒定。

對于文中截止閥內(nèi)部純流動問題，AcuSolve中湍流模型選擇RANS模型的k一ω模型，該模型是兩方程湍流模型，基于湍動能k及ω，ω要比ε更容易求解，主要應(yīng)用在內(nèi)部流動，對于射流、帶有分離流的問題具有很好的符合性，由ε于截止閥內(nèi)部流動中具有以上特點(diǎn)，所以選擇k-ω模型可以很好地描述截止閥的流動物理特性，制冷工況下計(jì)算邊界的設(shè)置如圖6所示。

2.4 數(shù)學(xué)模型

控制方程式基本守恒定律的數(shù)學(xué)描述，控制方程一般包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程。文中的計(jì)算工質(zhì)為不可壓縮的水，其控制方程如下。

3 計(jì)算結(jié)果

將HyperMesh中建立的DC4表面單元模型導(dǎo)出成.nas格式后導(dǎo)入AcuConsole中進(jìn)行體網(wǎng)格生成后，提交由求解器AcuSolve計(jì)算。求解結(jié)束后在AcuConsole界面下打開后處理模塊AcuFieldView，進(jìn)行分析結(jié)果查看。圖7-8分別為DC4截止閥模型X中心截面的壓力云圖和速度云圖。從壓力云圖可以看出，水從截止閥接管入口進(jìn)入截止閥后，在閥芯處由于流體受到正面阻力，水流直接沖擊該處位置，導(dǎo)致這個地方的壓力最大;流體在此發(fā)生90°轉(zhuǎn)彎，在閥芯向出口接管方向流動過程中，有部分流動滯止區(qū)，發(fā)生能量損失。與之對應(yīng)的速度云圖中也可以看出，在閥芯處流體直接沖擊該處，導(dǎo)致這個位置的速度較低，在流體發(fā)生流動轉(zhuǎn)向后，發(fā)生局部流動分離，出口接管上部的流體流速較大，而下部區(qū)域存在局部流動死區(qū)，流速較低。

圖9所示為DC4表面壓力云圖，從圖中可以看到，總體壓力進(jìn)口端明顯高于出口端，且最高壓力出現(xiàn)在截止閥突出位置閥芯處，在流體轉(zhuǎn)向位置區(qū)域的壓力較小，在此處有流體的能量損失。

4 仿真與試驗(yàn)對比

分別建立DC4、DC8、DClO和DC13的CFD仿真模型，并提交AcuSolve進(jìn)行仿真分析，CFD仿真分析軟件不能直接輸出截止閥流通性能指標(biāo)流量系數(shù)凰值，只能輸出流量，然后通過文中式（8）進(jìn)行換算，表1所示為截止閥流量系數(shù)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比情況，其中試驗(yàn)數(shù)據(jù)為同一種產(chǎn)品規(guī)格重復(fù)測試3次結(jié)果的平均值。

從表1可以看出，4種規(guī)格的截止閥流量系數(shù)試驗(yàn)數(shù)值和仿真結(jié)果十分吻合，最大誤差為3.47%，最小的誤差僅為1.78%，全部低于工程常用5%誤差以下的考察標(biāo)準(zhǔn)。利用趨勢曲線圖可以更加直觀地看到仿真和試驗(yàn)對比的吻合程度，如圖10所示。驗(yàn)證了仿真模型和方法的準(zhǔn)確性和有效性，證明可以利用CFD仿真的方法進(jìn)行截止閥結(jié)構(gòu)流通能力的驗(yàn)證，后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中可以快速對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行流通能力評估，以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和驗(yàn)證。

5 結(jié)束語

（1）利用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks建立了4種型號的空調(diào)用截止閥三維數(shù)據(jù)模型，并在HyperWorks仿真平臺下進(jìn)行模型的有限元處理，為下一步截止閥的流通性能計(jì)算做好準(zhǔn)備。

（2）利用HyperWorks的CFD模塊對空調(diào)用截止閥流通性能進(jìn)行CFD仿真計(jì)算，并將4種規(guī)格截止閥產(chǎn)品的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的誤差均在工程允許的5%范圍內(nèi)，證明仿真模型的準(zhǔn)確性，可以利用CFD仿真技術(shù)對截止閥流通性能進(jìn)行分析和優(yōu)化，對產(chǎn)品開發(fā)具有一定的理論指導(dǎo)和借鑒意義。

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