基于CFD技术的截止阀阻力特性分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)沈阳理工大学机械工程学院 作者:巴鹏

  研究截止阀启闭过程中的阻力特性,建立阀门的相对开度与压力损失之间的数学模型,并借助计算流体动力学软件fluent,应用动网格技术对阀门的内部流场进行动态数值模拟。结果表明:理论值与模拟值之间的相对误差满足精度要求,证明此数学模型在工程实用中的可行性,同时为截止阀及其他阀门的结构设计及优化提供理论参考。

  阀门作为管路系统中的一个重要部件,同时也是产生能量损耗的主要元件,在设计过程中不应只注重阀门的结构型态而忽视其流态特性。当流体通过阀道时产生诸如旋涡、水锤、死水区、二次流等水流现象,这些现象是影响阀道局部压力损失的主要因素。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)通过分析阀门通径、流量系数、流速、阻力系数等参数之间的关系,对截止阀流道的流场特点和阻力特性进行研究,得出其相对开度与压力损失之间的函数关系,能够更好地了解截止阀的能耗情况,同时为阀门的结构设计与优化提供有效的理论依据。

  FLUENT的软件设计基于CFD软件群的思想,针对各种复杂流动的物理现象,采用不同的离散格式和数值方法,在特定领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合,从而高效率地解决各个领域复杂流动问题的计算。基于计算流体力学理论,利用该软件对流体流经不同开度截止阀时的流场进行模拟,克服了阀门的几何特征较复杂、很难掌握其内部流态等特点,使研究结果可视、直观化。

1、结构模型

  1.1、物理模型

  图1为J41H型截止阀,该阀的启闭件是塞形的阀瓣,密封面呈平面或锥面,阀瓣沿阀座的中心线作直线运动。阀体的公称通径为DN32,采用不锈钢材料制成。根据其结构尺寸参数,同时考虑到实际数值模拟的可行性,对模型进行合理的简化,绘制出用于CFD分析的二维模型,如图2所示。

J41H型截止阀

图1 J41H型截止阀

截止阀模型

图2 截止阀模型

  针对XYZ-100、XYZ-125稀油站系统,使用N150机械油作为流体介质,根据标准GB443-89查得:N150机械油密度为ρ=900kg/m3;运动黏度为ν=1.5×10-4m2/s;

  1.2、数学模型

  1.2.1、开度与流量系数

  在液压油为不可压缩液体时可将直通式截止阀的流量特性表示为:

结果分析

  经运算,得到截止阀在不同流速、不同开度下的压力、速度流场分布情况,限于篇幅,只给出流速为2.07m/s时的流场分布如图4、5所示。可以看出:在阀门开度较小时,流体所受阻力较大,入口静压很大,而阀门右上侧压力较低,在阀瓣与壁面的微小缝隙中形成了一股高速射流;随着阀瓣向上运动,流速逐渐趋于稳定,射流现象消失,能量损失也相应减小。

流速为2.07m/s时不同开度下的总压力分布云图对比

图4 流速为2.07m/s时不同开度下的总压力分布云图对比

流速为2.07m/s时不同开度下的速度分布云图对比

图5 流速为2.07m/s时不同开度下的速度分布云图对比

  从模拟结果可知:造成压力损失的主要原因是阀道内部产生旋涡、形成紊流的分离回流区;其次是阀道出口的主流集中在管的上壁,该处流速分布不均匀、流速梯度大。当阀门开度小于20%时流场比较复杂,能量损失较大;当开度大于80%时,流态比较稳定,压力、速度梯度较小,能量损失也较小。阀门在启闭过程中受力会发生较大变化,导致冲击与振动,易引起阀体的变形与疲劳破坏,设计人员应当给予重视。将模拟计算得到的压力损失与利用理论公式计算得到的压力损失进行对比,见表1。

表1 截止阀开度、过流速度及压力损失关系表

截止阀开度、过流速度及压力损失关系表

  可以看出:根据公式(20)求出的理论压力损失值与试验模拟值已很接近,且最大相对误差不超过6%。同时得到截止阀开度与阻力系数之间的关系曲线,见图6,可以看出:随着开度的不断增大,截止阀的阻力系数不断减小,当开度较小时,截止阀的阻力系数非常大,流体流过时将产生很大的压力损失。

截止阀开度与阻力系数的关系

图6 截止阀开度与阻力系数的关系

  经分析,产生误差的原因如下:

  (1)由于截止阀实际结构复杂,文中在进行物理建模时将截止阀结构简单化,因此数值模拟结果与理论计算结果之间存在一定的误差。

  (2)理论数学模型中的k0、k值不能准确确定,只能靠手册查取;流体的黏度、温度、压力等参数在相对开度变化时也会发生变化。

  (3)该理论计算公式的推导排除了一切外在影响,包括流体间的相互扰动,以及流场间压差的相互干扰等;而计算机数值模拟是通过有限元计算模拟了流体的真实流动,接近于实际运动情况。基于上述原因,误差的存在是难以避免的。由于误差在6%以内,故认为所提出的理论计算方法所得结果与模拟实验结果基本吻合,表明所建数学模型准确可行。

4、结论

  (1)根据截止阀的流量特性,运用数学方法推导出相对开度、流速、公称通径、压力损失之间的数学模型,避开了通过研究截止阀内部复杂结构来分析阀门相对开度、流速、压力损失之间的关系,从侧面将复杂问题解决。

  (2)采用CFD技术对截止阀二维模型内部流场特性作数值模拟,得到各种参数的分布云图和数据,同时运用动网格技术更真实、连续地模拟出阀瓣启闭过程中的液流流动情况,解决了稳态分析不能求解的问题,在节约实验成本的同时还得到了更为有效直观的实验结果。

  (3)通过将数值模拟试验得到的结果与理论计算结果进行对比分析,结合实际工程应用中的经验,证明此数学模型对截止阀的结构设计及优化具有一定的参考意义。

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