截止閥內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)特性研究

□ 林孫榮 □ 潘 頌 □ 林孫強(qiáng)

浙江精嘉閥門有限公司 浙江溫州 325000

1 研究背景

截止閥是管道系統(tǒng)中的重要控制元件,具有截止、穩(wěn)壓、啟閉迅速的特點(diǎn),同時(shí)也是產(chǎn)生流體動(dòng)能損耗的主要管道設(shè)備之一。設(shè)計(jì)截止閥時(shí),不應(yīng)只注重閥門結(jié)構(gòu)形式而忽視阻力和流態(tài)損耗特性。流體流經(jīng)管道產(chǎn)生漩渦、回流、噪聲、水錘、汽蝕等現(xiàn)象,會(huì)導(dǎo)致截止閥內(nèi)部區(qū)域的壓力損失。截止閥結(jié)構(gòu)特性復(fù)雜,一般難以掌握其內(nèi)部流動(dòng)特性,在設(shè)計(jì)中經(jīng)常對(duì)流動(dòng)特性考慮不充分,進(jìn)而引起管道設(shè)備流阻因數(shù)偏高,壓力損失偏大。筆者應(yīng)用仿真軟件,基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理,對(duì)截止閥內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)特性進(jìn)行研究,模擬并分析不同開(kāi)度截止閥的流場(chǎng)。

2 建模

截止閥三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)四種不同開(kāi)度截止閥的流阻因數(shù)曲線及內(nèi)部流通性能進(jìn)行分析。

截止閥全流道模型如圖2所示。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),全流道模型計(jì)算區(qū)域進(jìn)口處長(zhǎng)度取5倍管道內(nèi)徑,出口處長(zhǎng)度取10倍管道內(nèi)徑。應(yīng)用Workbench軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。管道與截止閥均采用四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,通過(guò)自適應(yīng)網(wǎng)格布置對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整,進(jìn)而模擬出更加準(zhǔn)確、形象的流態(tài)。

動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)是仿真分析時(shí)不可缺少的組成部分,對(duì)仿真結(jié)果有重要影響。采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)截止閥全流道運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為保證模擬的精準(zhǔn)性,設(shè)置合適的網(wǎng)格劃分方式、網(wǎng)格大小,以及接觸面控制,使截止閥內(nèi)部流場(chǎng)瞬態(tài)特性更精準(zhǔn),從而保證分析的準(zhǔn)確性。

3 數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬時(shí),控制方程采用符合工程技術(shù)要求的三維收斂性精確不可壓縮標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程組,速度和壓力之間的耦合組合計(jì)算采用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn),同時(shí)選用非穩(wěn)態(tài)時(shí)間計(jì)算分析器,流體流經(jīng)管道接觸的壁面設(shè)置為靜止無(wú)滑移固壁邊界。在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中,內(nèi)部流體介質(zhì)為水,溫度為常溫25 ℃,忽略重力對(duì)流體區(qū)域的影響。進(jìn)口邊界初始速度為10 m/s,湍流度為0.7%,出口邊界為大氣壓0.1 MPa。基于以上迭代初始條件,計(jì)算四種不同開(kāi)度時(shí)的截止閥流場(chǎng)。

4 流阻特性

流阻特性是閥門內(nèi)部流體流動(dòng)特性的表征,是閥門的重要性能參數(shù)之一。不同開(kāi)度時(shí)截止閥的流阻因數(shù)曲線如圖3所示。由圖3可以看出,在0～40%開(kāi)度時(shí),開(kāi)度越小,流阻越大。較小開(kāi)度時(shí)的較大壓降使局部積累的壓能過(guò)大,存在漩渦和二次回流現(xiàn)象,對(duì)管道調(diào)節(jié)和使用性能存在不利影響。開(kāi)度大于40%后,隨著開(kāi)度增大,流通量增大,流阻減小。40%開(kāi)度與80%開(kāi)度相比,流阻因數(shù)高30%。隨著開(kāi)度達(dá)到100%,流阻因數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定,即截止閥內(nèi)流體達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)。

5 速度

截止閥內(nèi)部流動(dòng)特性是用戶選擇閥門的重要決定因素之一,不同開(kāi)度時(shí)截止閥內(nèi)部速度云圖如圖4所示。由圖4可知,開(kāi)度較小時(shí),流體由截止閥閥芯出口流出,出口處和管道連接處出現(xiàn)一個(gè)高流速區(qū)域,存在湍流和回流現(xiàn)象,這一高速流場(chǎng)導(dǎo)致閥芯進(jìn)口側(cè)受到?jīng)_擊。隨著開(kāi)度增大,截止閥閥芯出口處高流速區(qū)域趨于穩(wěn)定,射流現(xiàn)象及能量損失相應(yīng)減弱,有助于減小過(guò)高流速對(duì)閥芯附近的沖擊。在截止閥開(kāi)啟過(guò)程中,流速變化在出口側(cè)最為明顯。在截止閥關(guān)閉過(guò)程中,流速變化在進(jìn)口側(cè)最為明顯。不同開(kāi)度時(shí),閥芯方向不同,引起流體流場(chǎng)擠壓效應(yīng),由此導(dǎo)致截止閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中流速變化情況不相同。

6 壓力

不同開(kāi)度時(shí)截止閥內(nèi)部壓力云圖如圖5所示。由圖5可知,開(kāi)度較小時(shí),截止閥閥芯底部為高壓區(qū),閥芯底部附近存在不同層流狀態(tài)。隨著開(kāi)度增大,截止閥閥芯底部附近出口側(cè)出現(xiàn)小面積低壓區(qū),并且有向管道出口側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)。另一方面,隨著開(kāi)度增大,截止閥閥芯及附近受力減小,壓力分布更為均勻。開(kāi)度達(dá)到最大后,截止閥閥芯受力逐漸穩(wěn)定并維持常數(shù)。截止閥過(guò)流面積隨著開(kāi)度的增大而增大,可以有效保護(hù)閥芯,提高截止閥性能,延長(zhǎng)使用壽命。

7 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)截止閥內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)特性進(jìn)行研究,通過(guò)對(duì)比分析四種不同開(kāi)度,確認(rèn)截止閥流阻因數(shù)隨開(kāi)度變化存在顯著差異。截止閥閥芯在截止閥開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中受到的流體流場(chǎng)擠壓效應(yīng)是截止閥性能受到影響的主要原因。

開(kāi)度較小時(shí),截止閥閥芯底部受阻較大,局部積累的壓能較大,存在明顯漩渦﹑二次回流等現(xiàn)象,會(huì)降低管道調(diào)節(jié)精度,對(duì)截止閥使用性能構(gòu)成影響。在截止閥開(kāi)啟過(guò)程中,流速變化在出口側(cè)最為明顯,閥芯出口處附近出現(xiàn)不同程度的低壓區(qū),流速逐漸趨于穩(wěn)定,射流與能量損失減小,流體流場(chǎng)有向出口側(cè)移動(dòng)的趨勢(shì)。在截止閥關(guān)閉過(guò)程中,流速變化在進(jìn)口側(cè)最為明顯,流阻因數(shù)變化劇烈,存在較大變化梯度,這與實(shí)際情況是相符的。