基于ANSYS的闸阀阻力系数研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)常州大学机械工程学院 作者:邹鑫

  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。

图4 内径一定时闸阀阻力系数随开度的变化曲线

3、结束语

  应用有限元体积法和ANSYS软件对闸阀的内部流场特性进行了分析,由分析可知,闸阀的阻力系数不仅与开度、进口速度有关,还与闸阀管径有关;不同管径的闸阀,在同一开度、进口速度下的阻力系数不同。同时,利用ANSYS软件进行阀门内流场的分析方法基本可靠。

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