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  • 进口蝶阀阻力系数的数值模拟及分析-德国莱克LIK品牌
    发布日期:2017-4-11


    随着电子计算机和计算流体力学的迅猛发展,CFD数值模拟的优越性越来越明显.与试验研究相比,它能在计算机上直观地显示结果,同时还具有重复性好,条件容易控制等优点。Fluent的软件设计基于“CFD计算机软件群的概念”,针对每一种流动的物理问题的特点,采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。在阀门设计中CFD数值模拟也得到应用,袁新明等数值模拟研究了阀门的阻力特性,李安应用瞬变流分析方法对运行的给水管网中阀门的开启状态问题进行了数值模拟及检测,ENJalMraes(CEng)对高压蒸汽涡轮阀门内的三维稳态可压缩黏性流动进行了研究,并对不同开度的几种情况进行了对比分析,获得了压力、速度分布.刘健等应用FLUENT对蝶阀的三维流动进行了数值模拟分析,改进了阀门设计。刘华坪等利用动网格技术对管路中常见的阀门进行了动态数值模拟。

    本文以蝶阀为例,基于计算流体力学理论,运用FLUENT软件通过改变阀门的开度,对流体流经不同开度阀门时的流场进行模拟,由此分析阀门开度与其阻力系数的关系。

    2数学模型

    蝶阀流场的介质为水,选择流动模型为三维不可压缩粘性流动,采用不可压缩流动的雷诺时均方程组与k~ε湍流模型构成封闭的方程组来求解。

    (1)不可压缩流体连续性方程

     (1)

    (2)动量方程

     (2)

    (3)湍流动能k的输运方程

     (3)

    (4)湍流耗散率ε的输运方程

     (4)

    其中,ρ为密度,p为压力,k为湍流动能,ε为湍流动能耗散率

    在标准k-ε模型中,根据相关的实验验证[8]模型常数的取值为:

    3数值模拟

    3.1 模型建立

    蝶阀流道模型如图1所示,根据国内已生产的蝶阀的主要规格和外形尺寸,取蝶阀直径1250mm,为保证流场的稳定性,取蝶阀上游长度3D(D为管道直径),下游长度10D。

    图1 蝶阀流场计算模型

    蝶阀阻力系数根据局部水头损失公式计算:

     (5)

     (6)

    其中,ζ为局部水头损失系数,P1为进口压力,Pa;P2为出口压力,Pa;ρ为流体密度,kg/m3;V1进口断面平均流速,V2为局部阻力下游处的平均流速,m/s。

    根据水头损失公式计算得出的ζ值可以与水力学给定的推荐值进行对比.水力学中给出了不同开度下对应的ζ值,如表1所示。

    表1 蝶形阀ζ值

    3.2 边界条件

    (1)进口边界条件:按照整体网格划分,则进口边界条件设置为速度进口velocity-inlet,给定进口速度v=2~20m/s,认为进口速度分布均匀。

    (2)出口边界条件:考虑流动的充分发展和其他因素的影响,将出口边界条件设置为自由出流outflow。

    (3)其他边界条件:由于着重研究内部流场,对壁面附近的流场采用了近似的分析方法,即固壁面边界。

    3.3 数值结果与分析

    (1)流场分析

    蝶阀全开时的流场速度分布如图2所示,从图中可以看出进口流速和出口流速分布都比较均匀,这表明所取的计算域可以让水流充分的发展,计算域延伸段取值合理.当蝶阀处于完全开启状态,蝶阀方向与水流方向一致,水流所受阻滞作用较小,速度分布和流线均相对轴线对称,水流流动过程中局部损失很小.整体来说管道内流场分布较为均匀,流态平稳。

    蝶阀开度α=45°时的流场速度分布如图3所示,由图可以清楚的看到,由于开度的减小,流体所受阻滞作用加大,管道内流场呈不均匀分布,流场变得复杂,蝶阀上下流速增加,在蝶阀迎水面形成一个低速漩涡,背水面形成一个高速漩涡,同时在背水面还形成一个低速涡带,对管道的稳定性会产生不利影响,对下游段的流场影响较长。

    图2 阀门全开时速度等势图

    图3 α=45°时速度等势图

    (2)蝶阀阻力系数及影响因素

    图4 α=10°时阻力系数计算值与试验值对比图

    图5 α=30°时阻力系数计算值与试验值对比图

    在电站有压引水道中,水流速度一般在3~7m/s,本文计算了流速在2~20m/s范围内,蝶阀阻力系数随开度的变化情况,并将计算值与试验值进行了比较,图4,图5分别为α=10°、α=30°时其计算值与试验值的对比图.从图中可以看出,随着流速的增加计算值逐渐于平稳,并趋近推荐的阻力系数值,说明低流速段阀门阻力系数是与流速有关的一个参数,而水力学给定的阻力系数推荐值是一个定值,与流速无关,更适用于高流速的水体。

    阻力系数随阀门尺寸、型式、结构而变.对于同样结构的阀门,流体流过阀门的流速不同、阀门开度不同,阻力系数值也有变化.由表3可以看出,流速一定时,随着蝶阀开度的逐渐减小,其阻力系数值逐渐增加;开度一定时,随着流速不断增大,阻力系数值也呈现相同的规律.图6为蝶阀开度α=45°时,阻力系数随流速的变化趋势,其关系式可表示为

    其中,ζ为蝶阀阻力系数,v为管道内水流速度m/s。

    因此,在不同开度下ζ关于v的通用函数可表示为:

     (7)

    不同开度下系数Az、B、C的取值如表2所示,经计算可得出系数A、B、C随开度的变化规律,可归纳为公式:

    表2 不同开度下相应的系数取值

    表3也分别给出了经流场分析、公式计算得到的阻力系数值,并进行了误差分析,可以看到两种方法得到的数值误差较小,最大误差不超过5%,可以满足精度要求。

    表3 阀门局部阻力系数

    4 结束语

    (1)本文以标准k-ε模型为依据,采用数值模拟的方法研究了管道中的蝴蝶阀,分析了不同开度下的蝶阀对管道流态的影响,通过蝶阀前后压力计算出阻力系数.

    (2)从数值模拟的情况看,蝶阀全开时,过流状态良好,流场稳定,随着开度的减小,流场变得复杂,在蝶阀迎水面、背水面出现漩涡,同时在背水面还会产生低速漩涡带,蝶阀下游水流紊乱,影响较长管道.

    (3)分析蝶阀阀门前后压力,发现蝶阀阻力系数除与开度有关外,还与流速有一定关系,推导出了阻力系数与流速的函数关系式ζ=Av2−Bv+C,ABC系数与阀门开度有关。由关系式计算值与流场分析值进行误差比较分析,误差不超过5%.该关系式应用于实际完全能满足精度要求。

    (4)由于蝶阀实际结构复杂,本文在建模时将蝶阀结构简单化,因此数值模拟与实际存在一定的差异。同时,阀门的启闭是一个动态的过程,可以进一步对阀门启闭动态过程的数值模拟进行研究。

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