滑動式調節閥氣動性及力學特性分析

2018-07-12 07:57:28胡畏彭小勇謝海張園鄭玉蘭朱芳瑤

建筑熱能通風空調 2018年4期

胡畏彭小勇*謝海張園鄭玉蘭朱芳瑤

1南華大學土木工程學院

2湖南核三力工程技術公司

0 引言

在變工況氣力輸送系統中，調節閥對系統壓力改變及流量調節起著重要的作用。眾所周知，調節閥內部流動情況復雜，容易產生耗能的增大、系統的不穩定、噪聲等問題。為在設計上減緩以上問題，分析空氣調節閥內部流動機理及閥壁面壓力分布規律顯得較為重要[1～2]。為快速準確地把握閥內部流動機理，國內外已廣泛采用數值模擬方法，其中運用CFD流體分析軟件具有良好的可靠性[3～5]。

本文對一種新型滑動式空氣調節閥內部流動機理及閥芯壁面壓力分布規律進行分析。該調節閥及進出口管道均具有旋轉體特征，采用驗證可靠的數值方法模擬了該調節閥在不同Re及不同開度下的流場，并分析了流體流向及Re對流場及閥芯壁面壓力分布的影響。

1 控制方程及數值方法

1.1 控制方程及數值方法

滑動式調節閥為旋轉體，閥內氣流流動屬于軸對稱定場低速不可壓湍流。柱坐標下的控制方程如下：

式中：U為空氣流速，m/s；r和x為柱坐標徑向及水平方向，m；ρ為空氣密度，kg/m3；p 為壓強，Pa；fr為體積力，N，不計；ν為運動粘度，m2/s。

閥內氣流流動為充分發展湍流，標準κ-ε模型對于充分發展湍流能夠有良好的適用性，因此采用標準κ-ε湍流模型[6～7]。數值方法采用基于有限體積法的SIMPLE算法聯立求解各離散方程，離散方式采用二階迎風格式計算以保證具有良好的計算精度。

1.2 數值方法驗證

后臺階物理模型用于數值方法的驗證已得到廣泛認可，且后臺階流動的繞流機理與調節閥內部的繞流類似，因此選擇后臺階流動對擬采用的數值方法進行驗證。

1）物理模型及數值邊界條件

建立如圖1所示的三維計算域[8]，上游通道高度H=470 mm，臺階高度 h=30 mm，通道寬度 W=300mm，臺階距來流入口LL=3000mm。計算域采用六面體網格，在邊界及臺階處細化，來流區域與出流區域相對稀疏，圖2為XY截面示意圖，采用的網格數量是8×105。入口為速度入口（均勻來流），出口為自由出流，臺階及其他壁采用固壁無滑移條件。

圖1 后臺階計算域模型

圖2 Z=150 mm截面網格示意圖

2）數值模擬結果及分析

選取Z=150mm截面流線圖如圖3（a），流場在臺階下角落處有渦產生，其他區域分布均勻。取臺階前5mm處y方向Vx值與實驗值[8]作比，如圖3（b）所示，二者基本重合。取臺階下游壁面摩擦應力并擬合曲線如圖3（c），得出再附點距臺階Xr/h=4.71，其中模擬值，文獻實驗結果為Xr/h=4.98。二者相對誤差為4.8%，模擬結果與文獻吻合良好，說明所采用的數值方法具有良好的可靠性。

圖3 后臺階流動模擬結果

2 對稱閥芯滑動式調節閥

2.1 物理模型及邊界條件

對稱閥芯滑動式調節閥及其進出口管道的子午面、坐標系原點（閥中心）如圖4所示。閥內流體由左側流進，閥芯可順逆流兩方向移動且閥芯行程一致。計算域由管壁、閥體、閥芯、軸中心線、速度入口、自由出流等邊界圍成。其中L1與L3為進出口管道且長度分別為5D、10D，管道直徑為D。L2部分為調節閥且由閥體、閥芯組成。進出口通道長度的設計是為了考慮到流態的充分發展。模擬了調節閥處于不同閥芯位移l/D及不同Re下的流場分布。特征長度取入口管徑，速度為入口速度，流體介質為標準空氣。

圖4 調節閥與管道的子午面示意圖

計算區域采用四邊形網格與三角形網格并用，在調節閥節流部分細化，來流區域與出流區域相對稀疏，如圖5所示。采用的網格數量為1.1×105。入口為速度入口（均勻來流），出口為自由出流，閥芯表面，閥體表面及管道表面邊界條件為固壁無滑移，下邊界為對稱軸。

圖5 調節閥與管道的子午面網格劃分

2.2 數值模擬結果及分析

2.2.1 流場分析

選取Re=89621時不同l/D及l/D=-0.14時不同Re的流場，如圖6所示。圖中l為閥芯移動位移，X為軸橫坐標。閥芯處于原點時l/D=0，順流移動時，l/D值為正。由圖可知，當—l/D—值不變時，流動處于自模狀態，流場與Re無關。當l/D=0時，流場分布均勻。閥芯偏離原點后，流場與閥芯移動方向有關。在逆流移動過程中，l/D到達一定值后，在閥體的中心部位開始有渦產生且渦隨著—l/D—增大而增大。在順流移動過程中，l/D到達一定值后，流場開始在節流口后管壁周圍出現漩渦,繼續向右移動發現，閥體靠左部位也有渦產生且渦隨著—l/D—值增大而增大。

定義當閥芯逆流移動時，流體流向為流開式。當閥芯順流移動時，流體流向為流閉式。由于調節閥在流體流動方向為對稱結構，閥芯順流移動相當于閥芯逆流移動的同時改變流體流向。圖中在相同的—l/D—下順逆流的流場不同，說明流體流向對調節閥流場有一定影響。分析原因，流體流向的不同對流場的影響主要表現在流場流道的不同，當閥芯逆流移動時，流場流道為先漸縮后漸擴，當閥芯順流移動時則表現為先漸擴后漸縮。

圖6 不同閥芯位移l/D不同Re下流場分布

2.2.2 閥芯表面壓力分布

從計算結果中提取不同l/D不同Re下閥芯壁面壓力繪成曲線如圖7。a、b、c、d、e表示同一l/D下不同Re的閥芯壁面壓力分布曲線，f則表示同一Re下不同l/D下的閥芯表面壓力分布曲線。由圖可知，當l/D一定時，閥芯表面壓力分布隨著Re增大不均勻性加劇。當Re一定，閥芯順逆流移動具有相同—l/D—值時，閥芯壁面壓力分布規律相似但有所不同，具體表現在極值點位置不變但大小上逆流移動大于順流。閥芯表面始終存在壓力極值點A、B點（如圖4），且最大壓力A始終處于閥芯迎流的最極端部位，最小壓力B處于閥芯表面拐角，且均與l/D，Re值無關。

圖7 對稱閥芯表面壓力在X方向分布曲線

3 錐狀閥芯滑動式調節閥

3.1 物理模型及邊界條件

調節閥及其進出口管道的子午面、坐標系原點（閥中心）如圖8所示。閥內流體由左側流進，閥芯沿順流方向移動。計算域，組成部分L1，L2，L3及邊界條件與對稱閥芯調節閥表示一致。計算區域采用四邊形網格與三角形網格并用，如圖9所示，網格數量為1.1×105。

圖8 調節閥與管道的子午面示意圖

圖9 調節閥與管道的子午面網格劃分

3.2 數值模擬結果及分析

3.2.1 流場分析

給出如圖10所示Re=89621時不同閥芯位移l/D流線圖。閥芯處于原點時l/D=0，為全開狀態。閥芯向右移動，l/D逐漸增大。由圖可知，流場中始終有渦流產生。當l/D=0時，流場在閥體壁面拐角處有渦產生。隨著l/D逐漸增大，流場渦流區域逐漸增大且位置保持不變。l/D增大至一定值后，在節流口下管壁周圍開始出現漩渦。分析原因，隨著l/D逐漸增大，閥芯上流流道漸擴下流流道漸縮，從而導致流場不均勻性增強，渦流區域增大數量增多。