基于ANSYS的闸阀阻力系数研究

2013-07-06 邹鑫常州大学机械工程学院

　　应用有限体积法，借助专用于分析二、三维流体流动场的先进工具———ANSYS软件的FLOT-RANCFD工具，分析计算了闸阀的内部流场特性。依据流场的压力分布计算了不同开度、进口速度和内径下闸阀的阻力系数。指出阀门的阻力系数不仅与开度、进口速度有关，还与管径相关;不同管径的阀门，在同一开度、进口速度下的阻力系数不同。

　　无论是在流体机械还是在流体传动与控制系统中，都会用到各式各样的阀门，这些阀门装置的主要功能是对流体的流量、压力和流动方向进行调节和控制，以满足工作系统的要求。该过程中要求阀门控制可靠、阻力小、损失少。21世纪以前，对各类阀门尤其是阀门流道流动特性的研究尚未引起重视，在设计中基本上还是依据常规设计方法和经验，只考虑结构型态而不考虑流阻损失，从而引起较大的能耗。近年来，随着计算流体动力学(CFD)和计算机技术的飞速发展，数值模拟手段广泛应用于流体内部复杂流动的研究上。笔者对闸阀的阻力特性进行了研究，通过ANSYS软件的FLOTRANCFD工具模拟了闸阀内部的流场。

1、模型与数值方法

　　笔者主要研究的是闸阀内部流场，简化闸阀原型，使得闸阀通道为圆形通道，闸板为平板闸板。因此只需建立带有闸板的闸阀通道模型，闸阀的CFD模型与实物呈1∶1，以闸阀左下端点为原点，建立直角坐标系，其几何模型如图1所示(以闸板开度50%为例)。

图1 平行式单闸板闸阀几何模型

　　采用阀门的进口速度和进口压强作为进口的边界条件，在绝对参考系下给定一均匀来流，方向垂直于进口面，速度大小分别为1、2、3、4、5m/s，强度和水力直径由公式推导出，进口表面压强为2kPa;出口边界采用自由出流，由于全部流场只有一个出口，其出口表面压强设为0;由于在固壁处质点满足无滑移边界条件，设壁面速度为0。

　　笔者根据闸阀的特点，采用k-ε二方程湍流模型，选用ANSYS软件的流体动力学分析类型进行分析，借助专用于分析二、三维流体流动场的先进工具———ANSYS软件的FLOTRANCFD工具分析计算了闸阀的内部流场特性。

2、计算结果及闸阀阻力系数的计算

　　当水温为20℃时，其密度为998.2kg/m3，粘度为100.5μPa·s。当闸阀内径为DN50mm，开度分别为10%、20%、25%、35%、45%、50%、60%、75%、100%，进口速度分别为1、2、3、4、5m/s时，模拟计算出闸阀内部的节点压力场分布(图2)。

图2 闸阀内部的节点压力场分布

　　根据流体力学理论可知，阀门的阻力特性定义为：

　　式中 Δp———阀门前后的压差，Pa；ξ ———阀门的阻力系数；u———横截面处的平均流速，m/s；ρ———流体的密度，kg/m³。

　　从图2中可以清楚地读出最低静压值，算出最低静压值与进口压强差，进而算出闸阀的阻力系数。

　　当进口表面压强为2kPa，进口速度一定时，作闸阀阻力系数随开度的变化曲线(图3)。从图3可以看出，当进口速度一定时，随着闸阀开度的不断增大，其阻力系数减少。当闸阀开度一定时，随着进口速度的不断增大，其阻力系数减少。

图3 进口速度一定时闸阀阻力系数随开度的变化

　　对不同管径(DN25、DN100、DN200)的闸阀分别进行了模拟，并与DN50的闸阀模拟结果进行了对比分析。当进口速度为3m/s，进口表面压强为2kPa，闸阀内径一定时，作闸阀阻力系数随开度的变化曲线(图4)。从图4可以看出，当闸阀内径一定时，随着闸阀开度的增加，闸阀阻力系数减少。当闸阀开度一定时，随着闸阀内径的增大，闸阀阻力系数也是增大。