基于数值仿真的蝶阀性能对比分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)排灌机械工程学报 作者:冯卫民

  以连续性方程、三维雷诺平均N-S方程和基于各向同性涡粘性理论的k-ε方程组成蝶阀内部流动数值模拟的控制方程组,并根据数值计算具体要求,设定出适当的边界条件,采用结构与非结构网格相结合有限体积法对控制方程组进行离散,应用CFD软件Fluent对双偏心蝶阀单偏心蝶阀桁架式蝶阀以及龟背式蝶阀进行内部三维湍流流动数值模拟的对比分析。通过对数值模拟结果的分析和对比,在获得蝶阀宏观性能曲线的基础上,分析其内部微观流场结构与宏观外部特性之间的关系。通过分析,桁架式蝶阀全开时的过流特性最优,双偏心蝶阀改善了阀门的动力特性和逆向自密封性,使它具有优良的调节特性和增加阀门的使用寿命。通过对比分析,获得四种蝶阀的性能以及各种蝶阀的特点,从而为蝶阀的设计和选用提供参考。

  蝶阀是流体传输与控制技术中重要的基础元件,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,被广泛应用于航空航天、工农业生产和日常生活等各个领域。蝶阀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。它的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。

  传统的试验研究方法虽然可以精确地获得蝶阀的宏观外部特性,但是其周期长、成本高,不能获得蝶阀内部的微观流场结构。笔者应用计算流体动力学方法对不同结构形式的蝶阀进行数值模拟研究,在获得各种性能曲线的基础上,对比分析内部微观流场结构与宏观外部特性之间的关系,为蝶阀的设计与研究提供进一步的参考。

1、数值模拟过程控制方程组

  阀门进水管道、出水管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,描述偏心蝶阀进出水管道内的定常不可压缩流动的方程如下:连续性方程为

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  动量方程为

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  紊动能k方程为

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  紊动能耗散率ε方程为

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  上面各式中xi(i=1,2,3)为笛卡儿坐标系坐标;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;ρ为水的密度;ν为水的运动粘性系数;P为紊动能生成项,其表达式为

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  式中

  νt为涡粘性系数,可采用式(6)进行计算:

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  k-ε模型中经验常数的取值通常情况下为Cμ=0.09,Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。

  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,

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  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。

2、蝶阀计算区域及计算模型

  取蝶阀阀体以及阀体前后进出水管道为计算区域,为保证此时的边界上为完全发展的湍流运动,桁架式蝶阀和龟背式蝶阀取阀前5×D管道及阀后20×D管道为计算区域,单偏心蝶阀和双偏心蝶阀取阀前5×D管道及阀后10×D管道为计算区域,以保证进出口面流动稳定均匀。

  为了保证计算的精度,采用分块网格划分的方法划分网格,进出水管道部分以结构化网格划分,阀体部分以非结构网格划分,并将蝶板周围的网格局部加密;以连续性方程、三维雷诺平均N-S方程和基于各向同性涡粘性理论的k-ε双方程组成蝶阀内部流动数值模拟的控制方程组,采用有限体积法对控制方程组进行离散;采用求解压力耦合方程的半隐式SIMPLE算法;本次计算的进口处边界条件为速度进口,龟背式与桁架式蝶阀取进口速度为v=1m/s,单偏心与双偏心蝶阀取进口速度v=2m/s,出口处为压力出口。龟背式蝶阀与桁架式蝶阀以Z轴为流向,单偏心蝶阀以Y轴为流向,双偏心蝶阀以X轴为流向。

3、数值模拟计算结果及分析

3.1、蝶阀全开时

  桁架式蝶阀全开时,没有出现旋涡流动,压力与流速分布较均匀,蝶板附近没有明显的压降,整个流态相当平稳,这主要是因为桁架式设计大大增加了全开时的过流面积,使局部阻力降低到最小,这就决定了过阀损失系数必定较小,全开时过阀损失系数为ξ=0.102,是国内现有蝶阀类产品中过阀损失系数最小的。

  双偏心蝶阀在全开的情况下,阀体内部流场的压力与流速分布较均匀,蝶板附近没有明显的压降,整体流态比较平稳。由XY截面和YZ截面等势图可以发现,由于偏心的作用,阀板在管道中避开了高速的主过流区,使得双偏心蝶阀的有效过流面积增大,极大地降低了过阀损失。此时,通过观察XZ截面等势图特别是X方向速度的等速图,还可以看出其结构的非对称性造成了蝶板下边缘处会出现较小的漩涡,而在面向来流方向的蝶板前缘和近壁面位置存在一定的压力、速度梯度。

  单偏心蝶阀在全开时XZ截面上的阀轴后部存在明显的漩涡运动,涡区扰动剧烈,消耗了大部分的机械能,产生的回流区阻塞了流道,减小了蝶阀的过流面积;由于蝶板前缘正面对管道内流速最快的高速区,由XY截面上的等压力图可以发现,此时蝶板前缘的压力梯度较双偏心蝶阀明显增多;而YZ截面上的流动相对较为平稳,与双偏心蝶阀相差不大。

3.2、蝶阀相对开度为0.5时

  龟背式蝶阀在关闭角度大于20°时(如图1a所示),在蝶阀背面开始出现漩涡流动,当关闭角度变为35°时(如图2所示),蝶阀背面的漩涡流动更加明显。由于蝶阀背面存在局部低压区,从蝶阀上方越过流体部分折向下流,从蝶阀下方流过的流体部分折向上流,从而形成两个大小相等,方向相反的漩涡,并形成回流区,两个漩涡向下发展过程中相互作用,逐渐减弱,最后基本消失。对于桁架式蝶阀,当关闭20°时(如图1b,1c所示),流动的不均匀性加强,产生漩涡的趋势加强;当蝶阀关闭40°时(如图3a,3b,3c所示),XY截面的漩涡流动加强,在XZ截面和YZ截面出现漩涡流动。其中,XZ截面的漩涡在管道中部,呈对称分布,YZ截面的漩涡出现在较大的碟板背面中部。此时,由于过流面积主要受较大的蝶板的影响,蝶阀的性能开始与龟背式蝶阀的性能相似。在双偏心蝶阀关闭20°时(如图1h,1i所示),流态均匀改变,随着双偏心蝶阀相对开度降低为0.5,即双偏心蝶阀关闭40°时(如图3h,3i,3j,3k所示),在XY截面与YZ截面涡流运动较为剧烈的区域均出现了漩涡流动,表现出了较强的一致性。其中,通过观察XY截面速度矢量图可以发现,由于蝶阀背面存在的局部低压区,造成了从蝶阀上方越过的流体部分折向下流,从蝶阀下方流过的流体部分折向上流,使XY截面蝶板的前后缘附近具有明显的、与主流性质不同的从属二次流流动,基本控制了蝶阀阀体内部的主流动流场,甚至影响到了双偏心蝶阀出口处的出水流道内部流场。不过由于蝶板的流线型设计,漩涡运动仍然被控制在较小范围内;而YZ截面上的漩涡运动主要为两个强度相同、方向相反的对称涡,增加了蝶板板筋及阀轴边缘压力梯度和速度梯度;在YZ截面的靠近阀体边缘的部分有一个速度较小、压力相对较高的滞水区,出现了漩涡运动的趋势。可以认为此时的双偏心蝶阀外部宏观特性很大程度上由XY截面和YZ截面上的涡运动决定。当单偏心蝶阀关闭20°时(如图1d,1e,1f,1g所示),蝶板后面出现扰流,当蝶阀关闭40°时(如图3d,3e,3f,3g所示),与双偏心蝶阀相同,在XY截面与YZ截面均出现了具有较强一致性的漩涡流动。在此开度下,3个截面上的漩涡运动都已经出现,单偏心蝶阀与双偏心蝶阀内部的流场已经基本相同。而此时的宏观性能曲线在阀门关闭40°时,两种蝶阀的性能曲线也已经基本重合,证明了流场内的漩涡运动对于其宏观外部性能具有决定性影响。

基于数值仿真的蝶阀性能对比分析
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图1 绝对开度70°时数值模拟结果

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图2 龟背式关闭35°时各截面流速矢量图

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图3 绝对开度50°时数值模拟结果

3.3、蝶阀相对开度为0.1时

  对于龟背式蝶阀,随着关闭角度的继续增大,在YZ界面上的回流区也逐渐增大,控制整个流场的结构;当关闭到85°时,在阀瓣的上下方分别形成两个很大的回流区,回流区中心压力最低。对于桁架式蝶阀,关闭60°时,YZ截面的旋涡基本靠近较大的蝶板的下缘点,XY截面与XZ截面有出现二次旋涡流动的趋势,XZ截面的一次旋涡向下游发展,此时蝶板附近的压力梯度变得很大;蝶阀关闭70°时,XY截面和XZ截面出现二次旋涡流动,XZ截面的一次旋涡进一步向下游发展,YZ截面有出现二次旋涡流动的趋势,蝶板附近的压力梯度进一步增大;蝶阀关闭80°时,3个截面的旋涡运动都进一步增强,在YZ截面上,桁架内出现二次旋涡流动,而在XY截面和XZ截面,桁架内出现三次旋涡流动,蝶板的附近形成很大的回流区,回流区中心压力最低。对于双偏心蝶阀,随着相对开度降低为0。1,蝶板附近的速度梯度、压力梯度进一步增大,阀门3个截面上的漩涡运动变得更加剧烈;此时,在XY截面的过流断面上,压力、速度梯度集中在蝶板前后缘与密封副的交界处,在蝶板附近的涡区开始逐渐向管道的下游发展,阀体内部的流场出现了明显的二次漩涡流动,同时XY截面上蝶板后部出现了范围较大的两个相互分离的回流区,其中,位于上部的回流区影响范围更大,回流区中心压力最低,成为双偏心蝶阀阀体内的主要扰动。对于单偏心蝶阀,当关闭80°时,由于蝶板的对称结构,蝶板后的回流区并没有相互分离,而是连成了一个统一的大范围回流区,控制了阀体及出水管道内的流动;在XY截面、YZ截面上,均出现了二次漩涡运动,这些回流及漩涡运动极大的影响着单偏心蝶阀的宏观性能。

  通过对比计算可以发现:当关闭角度小于30°时,桁架式蝶阀有非常优异的过流特性,过流面积大,流阻小,流态比较稳定。随后,桁架式蝶阀的性能开始向龟背式蝶阀的性能恶化,但始终还是优于龟背式蝶阀的性能;当关闭角度极大时,出现三次旋涡流动,这在龟背式蝶阀中极少见。双偏心蝶阀由于其本身的不对称性,使阀门被开启后蝶板能迅即脱离阀座、大幅度地消除了蝶板与阀座的不必要的过度挤压、刮擦现象,减小了开启阻距、降低了磨损、提高了阀座寿命;但是与单偏心蝶阀对比,其结构的不平衡性也给阀门本身的内部流场带来了相应的损失,当开度较大时,双偏心蝶阀具有较好的过流特性,流态比较稳定,压力梯度较小,但当开度逐渐减小时,其双偏心结构更加容易引起XY平面上的扰动,从而引起漩涡与损失。

4、结论

  分析上述双偏心碟阀内部流场三维数值模拟和性能预测的研究结果可以得出以下结论:

  (1)在阀门全开的情况下,桁架式蝶阀的过流特性最优,对流体的扰动也最小,水力损失系数为0.102。

  (2)轴面(XY截面)上的计算简图和流场的非对称性充分地反映了这种双偏心碟阀的结构特点。阀门全开(开度为90°)时,虽然在蝶板的下边缘处出现了较小的漩涡,同时碟板仍为轴面占流面积较大的龟背式,但由于蝶板避开高速主过流区,阀门的有效过流面积和综合过流能力加大了。表现为流量系数较大(C≈66500);水力损失系数ξ≈0.289,计算工况下的水头损失ΔH=0.169m,流动阻力较小。

  (3)开度大于70°时,桁架式蝶阀与偏心蝶阀具有优异的过流特性,流态比较稳定,压力梯度较小,此时,桁架式蝶阀的过流性能最好。

  (4)对于偏心蝶阀,随着阀门开度逐渐降低,由于钝体绕流作用,水流绕过蝶板边缘后发生分离,形成两个相似的对称分布的耗能旋涡区,在往下游流动的过程中旋涡逐渐减弱并趋向均匀。当开度小于20°时,流场呈现较大的非对称回流区,有出现二次旋涡流动的趋势,回流区内中心压力较低,并控制了阀门整个流场的流动结构。

  (5)对比其他蝶阀,双偏心碟阀的固有流量特性预测曲线的线形要靠近线性关系一些,说明该阀具有相对优良的调节特性。

  (6)双偏心结构打破了传统蝶阀阀板受力平衡,改善了阀门的动力特性和逆向自密封性。启闭动作时蝶板能迅即脱离或贴合阀座,消除了蝶板与阀座间的挤压刮擦现象,降低了磨损、提高了阀座乃至阀门的使用寿命。

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