基于動網格的球閥流場數值模擬與分析

鄺先進，朱華炳

(合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

球閥在管路中主要用來做切斷、分配和改變介質的流動方向。在工作過程中，由于對流體的阻止作用以及不同開度的影響引起流場結構的變化以及復雜渦系的產生，從而導致水頭損失，尤其是在球閥突然啟閉的過程中，流量變化，引起壓強等參數的劇烈變化，不但流動損失會加劇，而且會有劇烈的沖擊與振動。這種沖擊和振動往往導致閥體的變形與疲勞破壞，繼而影響控制和調節精度，嚴重可能致使整個系統工作失靈[1-2]。

近年來，隨著計算流體動力學(CFD)和計算機技術的發展，國內外學者對球閥內部流動做了大量研究工作，大多是針對球閥內部流場的靜態數值模擬分析[3-6]。靜態的數值模擬分析局限于定常或非定常靜態(即閥門靜止)研究，找出不同開度、受力、流噪聲等與流動參數之間的關系，忽略了設計工作中需考慮的變工況及開關等過程。此外，人們對球閥閥體的分析一般都是從受力的角度討論其各部分結構的強度和剛度，也忽視了流體壓力變化隨機激勵，產生強烈的共振現象。

本文針對球閥啟閉過程，應用FLUENT軟件動網格技術結合計算流體力學基本理論進行分析，得到了啟閉過程中流場結構和受力變化情況。

1 數學模型

球閥內部的流動可用雷諾時均N-S方程來描述，并采用標準k-ε紊流模型使方程組封閉，為便于數值計算，對球閥流場進行如下簡化：球閥流道計算區域內流體為不可壓縮流體；忽略熱傳遞和能量交換。其基本方程組[7-8]如下：

連續性方程：

(1)

雷諾方程：

(2)

(3)

式中：μeff=μ+μt;μ=ρCμk2/ε。

k-ε兩方程模型：

(4)

(5)

式中：ρ是液體密度；μ是動力粘度；μt是湍動粘度；u、v是速度矢量在x、y方向上的分量，p是作用在流體微元體上的壓力；Fx、Fy是作用在微元體上的體力；k是湍動能；σk是與k對應的普朗特數；ε是湍流耗散率；σz是與ε對應的普朗特數；模型經驗常數取值分別為：C1z=1.44，C2z=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σz=1.3。

2 動網格技術

2.1 動網格控制方程

流場控制模型是基于流域固定形狀的情況，當采用動網格技術后，計算區域是變化的，所以要對上述流場控制模型進行改造，即考慮動邊界移動的影響，表達式[9]如下：

(6)

式中：φ是通用變量；Vs是控制體積，m3；Ls是控制體積的邊界；u流體時均速度，m/s；ug是動網格邊界移動速度，m/s；n是Ls上方向朝外的法向單位向量；Γ是擴散系數；qφ是源項。

2.2 動網格設置

通過編寫的Profile文件控制閥芯轉動，動網格技術用于調整和更新閥門運動后的網格。根據閥芯運動幅度和旋轉角度變化較大，采用動網格技術中動態層結合局部重劃的網格更新方法實現網格重新劃分。

控制過程為，先讓閥芯在0.9s內以100°/s的理想化勻轉速開啟到全通，自動保存這一過程中每10°的數據結果。開啟完成后，暫不立即關閉球閥，而是等待一段時間，避免開啟過程中的慣性影響后續模擬結果。暫停足夠長時間之后，按原路程同轉速關閉閥芯，保存過程中的數據結果。

3 模型與網格

3.1 幾何模型

根據球閥的閥體和閥芯均以閥中心線對稱布置，可以假設流體只有軸向和徑向流動，無切向流動，考慮到流體在球閥閥體內流動的對稱性，選取通過軸線的一個流體截面進行分析。即可以把軸對稱的球閥簡化為二維結構，利用FLUENT前處理軟件Gambit建立球閥結構。以某閥門廠固定式球閥型號2"300LB為對象建立幾何模型，該球閥通徑50 mm，全長216 mm，閥芯直徑88 mm。

3.2 計算網格與邊界條件

采用非結構化的三角形網格劃分流場。考慮到閥芯在轉動過程中附近的網格變化劇烈，需要重新劃分，故球體邊緣網格加密，網格如圖1所示。初始網格共36 530個單元，18 729個節點。

邊界條件設置球閥左側為速度入口(velocity-inlet)，速度為0.5 m/s，根據速度流量的關系式，流經面積即通徑截面，流量為1 kg/s。右側設置為自由出口(outflow)，壓力為0(相對于大氣壓)。

圖1 網格劃分結果示意圖

4 流場仿真及分析

4.1 網格移動

在Profile運動邊界驅動機制控制下，閥芯有規律的開啟關閉。通過動網格技術實現的網格更新，網格重劃分具有較高的質量。開啟過程中部分瞬時網格如圖2所示。

圖2 動網格變化示意圖

4.2 流場結構分析

動網格技術針對計算區域的幾何形狀隨時間變化的流體動力學進行瞬時動態模擬，可以捕捉球閥內流場瞬時變化，特別是在分析閥內漩渦的生成、運動、合并、分裂、脫落等水流特性，為球閥的設計、結構優化及改進運行參數提供參考。在此選取具有代表性的4個時刻，即閥芯開啟、閥芯半開、閥芯半閉和閥芯關閉。這4個時刻涵蓋了球閥開閉動態的全部過程(圖3)。

圖3 瞬時流線圖

通過觀察圖3即對應各個階段球閥流場的瞬時流線圖可以發現，隨著閥芯轉動，在流道開啟的階段，初始的高速射流跟周圍流體的剪切作用引起流道流場結構劇烈的變化，產生眾多大小不一的渦系，流道中流量較小，水頭損失嚴重；在流道開啟到60°瞬時，流道中的渦系合并成閥芯中的大漩渦，仍然存在較大的水頭損失，流道紊亂；在球閥關閉過程中，60°瞬時只有閥芯后側被壓區存在一個較為明顯漩渦，而關閉至30°時，流道開始紊亂，小渦系開始形成，關閉過程流場整體保持著較為規律的流向，流速快，水頭損失較小。開啟和關閉瞬時流場結構表現出明顯的不同。

4.3 受力變化

根據模擬閥門開閉過程自動保存的各瞬時數據，整理各個時刻的受力，可得到閥體(wall)和閥芯(ball)受力變化情況如圖4所示。圖中為了方便地比較開閉過程受力差異，故省去中間全開度等待過程，并且將關閉過程數據按0.9～0 s布置。即圖中開啟過程對應0.1～0.9折線，關閉過程對應0.9～0 s折線。

從圖中可以看出，閥體和閥芯受到粘性力的作用較為一致，且作用的力在開啟過程大于關閉過程。這是因為開啟過程中，流體從靜止到流動過程中需克服的流體粘性。在閥芯開度達到40°時，球閥受到的粘性力降低到可以忽略不計。考慮液體沖擊，球體和閥芯的總受力就不盡相同，閥體的總受力表現為關閉過程中受到小于開啟過程的流體沖擊力，且作用時間比開啟過程短；閥芯上的總受力相對均衡，圖線幾乎重合，表現出在開啟和關閉過程中受流體力保持著高度的一致，在小開度下受到劇烈的沖擊。

圖4 閥芯和閥體受力

5 結語

通過分析動態數值模擬結果，得到以下結論：

1) 球閥開啟和關閉過程中流場結構表現出明顯的差異，開啟過程流場較為紊亂，存在大量渦系，水頭損失嚴重；關閉過程，流場保持著較好的流向，流速快，水頭損失較小。

2) 球閥在開啟和關閉過程中受到的粘性力大小相差很大，開啟時受到很大的粘性力作用，關閉過程中受到的粘性力則小很多；閥體和閥芯總受力也不相同，閥芯在開閉過程中所需克服阻力基本一致，閥體在開啟過程中則需承受較大的流體沖擊。

3) 通過動網格技術的運用，可以成功地模擬球閥開啟和關閉的動態過程。根據模擬得到的結果，能準確分析動態過程中流場結構和所受力沖擊的變化情況，彌補了實驗的不足，為結構和強度的設計及優化提供思路和依據。

[1] 劉華坪，陳浮，馬波 . 基于動網格與PDF技術的閥門流場數值模擬[J]. 汽輪機技術，2008，50(2)：106-108 .

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