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蝶阀内部流场分析报告
武汉大学科研项目研究报告
蝶阀内部流场研究报告
动力与机械学院
二○一〇年十月
-1-
参与人员
符向前冯卫民吴昊张斌
-2-
一、蝶阀4
二、CFD仿真及软件5
三、三维湍流理论6
四、蝶阀流场计算8
五、仿真结果及分析9
-3-
阀门是一种通用性很强的流体机械。
是流体工程系统中调节和控制流体,以
实现流体生产功能、确保工程安全的重要设备。
然而,阀门这种外在的调控能力
及特性,主要还是取决于其内部流场的结构及变化规律。
受武汉大禹阀门制造有
限公司的委托,我们将对其蝶式斜置密封多功能止回阀进行内部流场的结构分析
和机理研究,并在此基础上给出固有流量特性曲线、汽蚀性能曲线及一些特征参
数。
一、蝶阀
蝶阀(图1)是一种常见的阀门,主要用于截断或接通介质流,在某些特殊
的情况下允许用来在一定范围内调控介质的流量和压力。
它结构简单,维修方便;
外形尺寸小,重量轻,适合较大口径;开启力小,开关较快;有调节性能,但不
精确。
图1蝶阀
蝶阀的流阻特性等相关特性以往主要通过实验求得,随着计算流体力学和
计算机技术的发展,用数值计算的方法得到蝶阀的流阻特性已经成为可能。
与实
验方法相比,用计算流体力学对蝶阀的流动情况进行模拟不仅简便易行,而且还
可以了解蝶阀内部流场的详细情况,如压力流速分布、分离流动区域等。
对于指
导蝶阀的设计、改善其流动状况、减小流动阻力具有重要意义。
-4-
大禹阀门厂的蝶式斜置密封多功能止回阀阀板采用流线型设计,流阻小,过
流面积大;阀轴采用半轴形式,用楔销与阀板连结,牢固可靠;轴端密封采用自
紧式密封与可调式密封相结合的组合式密封,密封效果好;轴承采用复合材料的
轴承,具有承载能力强,耐磨性好,摩擦阻力小等优点;主密封采用实心橡胶密
封安装于阀板上,密封严密可靠;长时间工作后还可方便地调整密封比压,更换
也很方便;阀板与阀座的密封面为锥型,故阀门为斜置锥型密封形式,具有自密
封性,密封效果好;同时,阀体短小,节省安装空间。
图2蝶式斜置密封止回阀
二、CFD仿真及软件
近几十年来计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics-CFD)的迅猛发
展,计算机性能的飞速提高,CFD被广泛地应用在科学研究和工程实践中。
使
应用CFD数值模拟技术对阀门内部流动进行计算机仿真成为可能。
从某种意义
上说应用数值仿真的方法研究内部流场的流动规律,预测性能不仅系统全面、相
对准确,而且周期短、费用少。
应该特别指出的是当今CFD的发展水平和生产应用的基础是成熟的理论研究、大量的科学实验和丰富的工程经验,其可信度和准确性是完全可以满足生产实际的要求的。
随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟,出现了基于
-5-
现有流动理论的商用CFD软件,从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中
解放出来,以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、
边界(初值)条件和计算结果的合理解释等重要方面。
这里我们采用的是Ansys
公司的商用CFD软件FLUENT。
FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD大
型软件包,在美国的市场占有率为60%。
举凡跟流体,热传递及化学反应等有关的工业均可使用。
它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能,FLUENT是基于有限体积法的软件,可以计算的物理问题类型有:
定常与非定常流动,不可压缩与可压缩流动,含有粒子╱液滴的蒸发、燃烧过程,多组分介质的化学反应过程等。
在利用FLUENT软件进行流体流动模拟计算时,先利用Pro/E进行流动区
域几何形状的构建,在利用Gambit生成模型的边界类型以及网格,并输出用于FLUENT求解器计算的格式,然后应用FLUENT求解器对流动区域进行求解计算,并进行计算结果的后处理。
图3FLUENT软件的基本程序结构
三、三维湍流理论
流体运动所遵循的规律是由物理学三大定律规定的,即质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。
这三大定律对流体运动的数学描述就构成了流体动力
-6-
学的基本方程组。
3.1控制方程
泵站进水流道、出水流道中的实际流动是湍流。
在定常条件下,采用k-ε湍
流模型时,描述泵站进出水流道内的定常不可压缩流动的方程如下:
ui
0
xi
连续方程:
(1)
uj
ui
fi
1
p
[(
vt)(
ui
uj
)]
xj
xi
xj
xj
xi
动量方程:
(2)
uik
[(
t)
k]
Pr
紊动能k方程:
xi
xi
k
xi
(3)
紊动能耗散率ε方程:
ui
[(
t)
]
(C
1Pr
C2)
xi
xi
xi
k
(4)
上面各式中,xi(i=1,2,3)为笛卡尔坐标系坐标,ui(i=1,2,3)为沿i方向的速度分量,fi为沿i方向的质量力,p为压力(实际上为压强,本文从工程习惯称为压力),ρ为水的密度,ν为水的运动粘性系数。
Pr为紊动能生成率,其表达式为:
Pr
ui
uj
ui
t(
xi
)
xj
xj
(5)
式中:
νt──为涡粘性系数,可采用下式进行计算:
k2
tC
(6)
k模型中经验常数的取值如表1所示。
c
c1
c2
k
0.09
1.44
1.92
1.0
1.3
表1k模型中的经验常数
(2)流场出口:
在此只考虑在流道内的流动,而且在流道出口处水流一般
-7-
是充分发展的湍流,一般认为此时的下游边界的流动状态影响不到上游方向的流
场。
因此,在流场出口的边界条件仅为沿垂直于该断面方向的压力梯度为零,此外,还有:
uvwK
0
nnnnn(7)
(3)固壁边界:
在固壁上采用无滑移条件,有速度u=v=w=0,且因本次计算主要考虑局部损失,则固壁处的摩阻流速不计。
四、蝶阀流场计算
计算模型:
1、取阀体以及阀体前后两段管道为计算区域,使用分块网格划分,
其中管道采用结构化网格化分,阀体采用非结构网格划分;
2、阀门全开时,在最大流量情况下,管道内可视为完全发展的湍流,
运用基于各向同性涡粘性理论的k-ε双方程模式进行计算;
3、采用求解压力耦合方程的半隐式SIMPLEC算法;
4、进口处边界条件为速度进口,出口处为压力出口。
其中计算简图如下:
图4计算简图
-8-
图5蝶阀蝶板外型图
五、仿真结果及分析
图6(a)等压图
-9-
图6(b)等速图
图6(c)速度矢量图
图6绝对开度30度
图7(a)等压图
-10-
图7(b)等速图
图7(c)速度矢量图
图7绝对开度50度
图8(a)等压图
-11-
图8(b)等速图
图8(c)速度矢量图
图8绝对开度70度
图9(a)等压图
-12-
图9(b)等速图
图9(c)速度矢量图
图9绝对开度90度(全开)
通过计算结果可以发现:
当蝶阀开度较小时,在x-y平面形成了较大的回流区,可以发现在阀瓣的上方和下方分别形成了两个很大的回流区。
回流区内中心压力较低,并控制了阀门整个流场的结构。
当阀门开度逐渐增大时,回流区开始缩小
当开度达到50度时,水流绕过蝶板边缘后发生分离,在对称面的左、右方形成两个相似的分离涡区。
分离区是压力较均匀的低压区,流体的机械能主要被这些旋涡消耗。
旋涡在往下游发展的过程逐渐减弱流动逐步趋向均匀。
回流区逐渐消失。
-13-
过阀损失系数
根据过阀流量Q、碟阀前后测压环管之间的水头损失hw及直管沿程水头损失
hf,得出过阀损失系数:
2ghj
V2
V
4Q
(D2)
hf
Lv2
D2g
hj=hw-hf
其中为直管沿程损失系数;
D为直管管径;
L为测压环管到阀门法兰之间的距离。
hf0.110044
根据经验公式取λ=0.3,则:
hf0.110044
阀进口给定流速Vf=2m/s,
2ghj
4.9hj
(9)
Vf2
400
350
300
数
系250
失
损200
阀
过150
100
50
0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
阀门相对开度
图10阀门过阀损失系数图
-14-
全开情况下,蝶阀过阀局部损失系数ξ≈0.31,局部过阀损失h0.06444m阀门固有流量特性
阀门的阀门固有流量特性是衡量阀门流通能力的指标,流量系数值越大,说明流体流过阀门的压力损失越小。
阀门固有流量特性是当水流经过阀门的两端压差为100kPa时,某给定行程所流过以m3/h计的流量数值。
阀门固有流量特性的计算公式如下:
CQ
p
(10)
3
式中C—阀门固有流量特性m/3600;
3
Q—经过阀门的流量值。
单位为m/h;
ρ—流体密度,本系统所用流体为水,ρ=1;
Δρ—阀门两端的压力差,单位为100kPa。
70000
60000
数
50000
系
40000
量
流
门30000
阀
20000
10000
0
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
阀门相对开度
图11过阀阀门固有流量特性图
阀门无量纲开度
方程(8)两边同乘阀前管道的横截面面积A即可得过阀流量:
A
Qf2gHf
(11)
-15-
阀的容量系数,即广义的流量系数Cf。
它是由孔口出流的流量系数演变而来。
可用如下算式来定量分析过阀流量:
QfCfHf
(12)
由(12)式,便可以得到两基本特性系数之间的关系:
Cf
A
(13)
2g
令:
Cf/C0(0/),即阀的无量纲开度
1
0.9
0.8
0.7
度0.6
开
纲0.5
量
无0.4
0.3
0.2
0.1
0
0.20.30.40.50.60.70.80.91
阀门相对开度
图12阀门无量纲开度曲线图
阀门的气蚀系数:
不同结构形式的阀门有其不同的气蚀系数,其一般的计算公式如下
H1H2
H1
10
V2
(14)
P
P
2g
式中:
H1——阀后(出口)压力m
H2——大气压与其温度相对应的饱和蒸气压力之差m
P——阀门前后的压差m
各种阀门由于构造不同,因此允许的气蚀系数δ也不同,如计算的气蚀系数
-16-
大于容许气蚀系数,则说明可用,不会发生气蚀。
如蝶阀容许气蚀系数为2.5,
当δ>2.5,则不会发生气蚀。
当2.5>δ>1.5时,会发生轻微气蚀。
当δ<1.5时,产生振动。
当δ<0.5的情况继续使用时,则会损伤阀门和下游配管。
下图是出口为自由液面时的阀门气蚀系数图。
70
60
50
数
系40
蚀
气
门30
阀
20
10
0
0.20.30.40.50.60.70.80.91
阀门相对开度
图13阀门气蚀系数图
压力恢复系数
阀门的形式将影响其对气蚀的敏感性,本次计算的蝶阀一般为高复原阀门。
在进口压力和压降相同的情况卜,流体通过收缩截面时,高复原阀门的阀后出口
压力恢复远大于低复原阀门。
阀门的复原性可用压力恢复系数FL表示。
P1
P2
(15)
FL
Pvc
P1
FL越接近1.0,压力恢复越少。
FL
-17-
图14阀门压力恢复系数图
0.8
0.7
0.6
数系0.5
复
恢0.4
力
压0.3
0.2
0.1
0
0.20.30.40.50.60.70.80.91
阀门相对开度
图15阀门压力恢复系数
-18-
计算总水
最低压力
相对开
进口压力
出口压力
头损失
点Pvc
度
1(pa)
2(pa)
P
P
hw(m)
(pa)
计算局部
水头损失
流量系数C
容量系数
(m2
)
损失系数
C
hj(m)
/3600
无量纲开
阀门气蚀
压力恢复
度τ
系数
系数FL
12592.475879.29065
0.894417.29931926.9047
0.788135.57373627.6758
0.6715255.2045788.0693
0.5629825.2257950.207
0.4473043.14115992.783
0.33189911.9521460.096
0.22751203.332700.43
0.174487
-4842.13
0.064443
66492.21
0.315772
9.514246
1
57.86387
0.480035
0.254122
-6052.96
0.144078
55097.47
0.705982
6.363039
0.668791
40.15164
0.487703
0.45999
-5705.42
0.349946
40952.34
1.714733
4.082846
0.42913
22.55912
0.570694
0.966034
-13146
0.85599
28258.98
4.194352
2.610531
0.274381
10.97001
0.577352
2.232145
-31160.3
2.122101
18590.52
10.39829
1.657984
0.174263
4.846475
0.598909
5.821465
-58542.6
5.711421
11511.62
27.98596
1.010628
0.106223
1.999274
0.658453
17.18896
-140538
17.07892
6699.276
83.68671
0.584431
0.061427
0.70956
0.713978
73.31661
-933274
73.20657
3243.781
358.7122
0.282285
0.02967
0.181999
0.653103
表2蝶阀计算数据汇总表
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