滑板式調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的數(shù)值模擬及性能預(yù)測(cè)

許洪斌，刁富強(qiáng)，楊長(zhǎng)輝，秦飛龍

(1.重慶理工大學(xué)汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400054;2.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶400054)

0 前言

調(diào)節(jié)閥是過程控制系統(tǒng)中一個(gè)重要的部件，廣泛應(yīng)用于石油化工、航空航天、交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中。由于閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)流體流過閥門產(chǎn)生閃蒸空化、漩渦等現(xiàn)象時(shí)，會(huì)對(duì)管路輸送系統(tǒng)造成危害。近年來，隨著科技的發(fā)展，閥門設(shè)計(jì)在注重外在結(jié)構(gòu)的同時(shí)也更多的考慮閥門的水力特性。目前，在閥門行業(yè)中已廣泛應(yīng)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)來研究閥門的流動(dòng)特性［1-4］、預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能［5］、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案［6-7］，CFD數(shù)值模擬技術(shù)已成為閥門設(shè)計(jì)的重要手段。

滑板式調(diào)節(jié)閥是一種新型的板式直行程調(diào)節(jié)閥，利用多孔節(jié)流槽定滑板與多孔節(jié)流槽動(dòng)滑板之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能，具有流通能力好、體積小、質(zhì)量輕、行程短，閥芯不平衡力小，密封性能好、允許壓差大等特點(diǎn)。運(yùn)用Fluent數(shù)值模擬軟件對(duì)滑板式調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)可視化結(jié)果進(jìn)行分析，這對(duì)于滑板式調(diào)節(jié)閥的研發(fā)和性能優(yōu)化具有重要意義。

1 創(chuàng)建幾何建模

該滑板式調(diào)節(jié)閥公稱通徑為D＝100 mm，其結(jié)構(gòu)主要由閥體、閥座、定滑板、動(dòng)滑板、壓蓋等組成，在SolidWorks三維建模軟件中完成調(diào)節(jié)閥的實(shí)體建模，該模型簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于閥門結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，取調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道的一半作為計(jì)算域，為使流動(dòng)充分發(fā)展，前后管道分別加長(zhǎng)5倍管徑和10倍管徑。

圖1 滑板式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 建立控制方程

調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的實(shí)際流動(dòng)為湍流流動(dòng)，在定場(chǎng)條件下，使用不可壓縮流動(dòng)的雷諾方程組與標(biāo)準(zhǔn)k-ε構(gòu)成的封閉方程組來描述［8］。

連續(xù)方程:

紊流運(yùn)動(dòng)方程:

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程

耗散率ε的方程:

紊流動(dòng)能k的方程:

式中:ρ為流體密度;ui為流體方向的速度分量;p為流體微元體上的壓力;υt為湍流黏度;k為湍流動(dòng)能;ε為耗散率;μ為動(dòng)力黏度;常數(shù):Cε1＝1.44，Cε2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3。

3 計(jì)算網(wǎng)格與邊界條件

利用前處理軟件ICEM CFD劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮到計(jì)算精度與計(jì)算經(jīng)濟(jì)性，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的方法，對(duì)閥門前后圓柱管道劃分六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在閥體附近區(qū)域劃分四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。并對(duì)模型節(jié)流處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，總的網(wǎng)格數(shù)量在500萬左右。圖2所示為調(diào)節(jié)閥全開時(shí)網(wǎng)格示意圖。

圖2 調(diào)節(jié)閥全開時(shí)網(wǎng)格示意圖

設(shè)置流體與壁面的接觸邊界為靜止無滑移固壁面邊界，入口設(shè)置速度v＝1 m/s，湍流狀態(tài)的描述設(shè)置為:湍流強(qiáng)度3.79%，水力直徑0.1 m;出口設(shè)置壓力p＝0 Pa;在對(duì)稱面設(shè)置對(duì)稱邊界條件;流體介質(zhì)為水，密度1 000 kg/m3，動(dòng)力黏度υ＝0.001 003Pa·s。

4 流場(chǎng)可視化分析

4.1 壓力分布

由圖3可見，該調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓力分布均勻，不存在壓力陡升的區(qū)域，節(jié)流槽入口處壓力驟降，壓降在過流斷面處達(dá)到最大，并產(chǎn)生一小段負(fù)壓，過流斷面后壓力慢慢回升。同時(shí)在節(jié)流槽入口前流體不流通位置產(chǎn)生局部高壓區(qū)，會(huì)對(duì)動(dòng)滑板形成一定的沖擊，可以考慮在節(jié)流槽入口邊緣添加圓角，減小壓力集中區(qū)域面積。比較閥門100%開度與50%開度的壓力分布可知，50%開度時(shí)，壓力梯度更明顯，調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓降增大，并且隨著開度的減小，這種變化趨勢(shì)更明顯。

圖3 調(diào)節(jié)閥不同開度時(shí)的壓力分布云圖

4.2 速度分布

從圖4可看出，調(diào)節(jié)閥入口段速度分布均勻，當(dāng)流體由調(diào)節(jié)閥進(jìn)口經(jīng)節(jié)流槽流出時(shí)，主流流體的速度逐漸增加，并在過流斷面處流速達(dá)到最大，當(dāng)流體從節(jié)流槽流出后，速度逐漸減小。對(duì)比分析圖4(a)、(b)可知，調(diào)節(jié)閥開度越小，節(jié)流增速越明顯;流體流經(jīng)節(jié)流槽時(shí)形成了高速射流，開度越小射流流速越大。高速射流會(huì)對(duì)節(jié)流槽流道產(chǎn)生嚴(yán)重的沖刷破壞，應(yīng)盡量將這些流道表面硬化，來抵抗高速流的沖刷;閥門全開時(shí)，節(jié)流槽出口高速流之間形成了流速相對(duì)較小的流動(dòng)死區(qū)，開度減小到50%時(shí)，在過流斷面后以及閥門出口管道右下區(qū)域形成了流動(dòng)死區(qū)。

圖4 調(diào)節(jié)閥不同開度時(shí)的速度分布云圖

從圖5中可以看出，當(dāng)流體從調(diào)節(jié)閥流出時(shí)，在閥門流道內(nèi)產(chǎn)生了不同程度和數(shù)量的旋渦及回流。對(duì)比圖5(a)、(b)，調(diào)節(jié)閥全開時(shí)，僅在節(jié)流槽出口之間的區(qū)域形成了渦流;開度減小到50%時(shí)，由于動(dòng)滑板的移動(dòng)對(duì)流體的擠壓作用，使得閥門出口流體流線偏向流道右上區(qū)域，在高速射流狀態(tài)下引起流動(dòng)速度的不均勻，導(dǎo)致閥后流場(chǎng)紊亂，在流場(chǎng)中出現(xiàn)了面積較大的漩渦。漩渦的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致能量損失，會(huì)使零件受力不平衡，產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。

圖5 調(diào)節(jié)閥不同開度時(shí)的流線分布圖

5 調(diào)節(jié)閥性能預(yù)測(cè)

5.1 流量特性

流量系數(shù)［9］表示流體流經(jīng)閥門產(chǎn)生單位壓力損失時(shí)流體的流量，其值越大，說明流體流過閥門是的壓力損失越小，具體表達(dá)如式 (6)。流量特性［9］是指介質(zhì)流過閥門的相對(duì)流量與相對(duì)開度的關(guān)系，是調(diào)節(jié)閥最重要的指標(biāo)之一具體表示如表達(dá)式 (7)所示

式中:Kv表示流量系數(shù);Q為體積流量，m3/h;ρ為流體密度，t/m3;Δp為閥門兩端壓力差，kPa。Q/Qmax為相對(duì)流量;X/Xmax為相對(duì)開度。

5.2 流阻系數(shù)

流體通過閥門時(shí)，如果閥門的流阻系數(shù)越小，將有利于水流通過，其流體阻力損失以閥門前后的流體壓力降表示［9］，流阻系數(shù)ζ為

式中:v為流體在管道內(nèi)平均速度，m/s;ρ為流體密度，kg/m3;Δp為閥門兩端壓力差，Pa。

數(shù)值計(jì)算結(jié)果如表1所示，由表1數(shù)據(jù)可知，滑板式調(diào)節(jié)閥比其他相同口徑的調(diào)節(jié)閥具有更好的流通能力，流動(dòng)阻力小［9］。根據(jù)表1中的計(jì)算結(jié)果，建立流阻特性曲線以及流量特性曲線，如圖6、7所示。

表1 閥門不同開度下模擬計(jì)算結(jié)果

圖6 流阻系數(shù)特性曲線

圖6 中可以看出，調(diào)節(jié)閥從小開度逐步開啟過程中，阻力系數(shù)從極大數(shù)值急劇下降，當(dāng)開度達(dá)到60%時(shí)，阻力系數(shù)值已經(jīng)變小;在70%開度以后，阻力系數(shù)變化很小。

圖7 流量特性曲線

對(duì)流量特性曲線進(jìn)行線性擬合，得到其表達(dá)式為:

圖7中30%～100%共8個(gè)開度下的流量系數(shù)值線性擬合度好，說明滑板式調(diào)節(jié)具有良好的線性特性。

5.3 閃蒸、空化現(xiàn)象預(yù)測(cè)

流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)，如果閥內(nèi)壓力降到流體所在情況下的飽和蒸汽壓之下，閥后壓力達(dá)到或者低于該飽和蒸汽壓，部分液體會(huì)汽化成氣體，產(chǎn)生空化現(xiàn)象;如果產(chǎn)生閃蒸之后，閥后的壓力上升到飽和蒸汽壓之上，形成的氣泡會(huì)爆裂并轉(zhuǎn)化為液體，形成空化現(xiàn)象［10］。從滑板調(diào)節(jié)閥的壓力分布中可知，壓力在過流斷面后降到最低，然后逐漸恢復(fù)，由此壓力變化情況，閃蒸或空化現(xiàn)象將出現(xiàn)在閥門密封面 (過流斷面)之后。

6 結(jié)束語

對(duì)滑板式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，得到了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況，了解了閥門的基本性能，預(yù)測(cè)了出現(xiàn)閃蒸空化現(xiàn)象的位置，為調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了依據(jù)。

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