截止閥內部瞬態流動特性研究

□ 林孫榮 □ 潘 頌 □ 林孫強

浙江精嘉閥門有限公司 浙江溫州 325000

1 研究背景

截止閥是管道系統中的重要控制元件,具有截止、穩壓、啟閉迅速的特點,同時也是產生流體動能損耗的主要管道設備之一。設計截止閥時,不應只注重閥門結構形式而忽視阻力和流態損耗特性。流體流經管道產生漩渦、回流、噪聲、水錘、汽蝕等現象,會導致截止閥內部區域的壓力損失。截止閥結構特性復雜,一般難以掌握其內部流動特性,在設計中經常對流動特性考慮不充分,進而引起管道設備流阻因數偏高,壓力損失偏大。筆者應用仿真軟件,基于計算流體動力學原理,對截止閥內部瞬態流動特性進行研究,模擬并分析不同開度截止閥的流場。

2 建模

截止閥三維結構如圖1所示。應用計算流體動力學仿真軟件對四種不同開度截止閥的流阻因數曲線及內部流通性能進行分析。

截止閥全流道模型如圖2所示。根據相關標準,全流道模型計算區域進口處長度取5倍管道內徑,出口處長度取10倍管道內徑。應用Workbench軟件對計算區域進行網格劃分。管道與截止閥均采用四面體結構網格,通過自適應網格布置對流場進行調整,進而模擬出更加準確、形象的流態。

動網格技術是仿真分析時不可缺少的組成部分,對仿真結果有重要影響。采用動網格技術對截止閥全流道運動區域進行網格劃分,為保證模擬的精準性,設置合適的網格劃分方式、網格大小,以及接觸面控制,使截止閥內部流場瞬態特性更精準,從而保證分析的準確性。

3 數值模擬

在數值模擬時,控制方程采用符合工程技術要求的三維收斂性精確不可壓縮標準k-ε方程組,速度和壓力之間的耦合組合計算采用SIMPLE算法實現,同時選用非穩態時間計算分析器,流體流經管道接觸的壁面設置為靜止無滑移固壁邊界。在數值模擬計算過程中,內部流體介質為水,溫度為常溫25 ℃,忽略重力對流體區域的影響。進口邊界初始速度為10 m/s,湍流度為0.7%,出口邊界為大氣壓0.1 MPa。基于以上迭代初始條件,計算四種不同開度時的截止閥流場。

4 流阻特性

流阻特性是閥門內部流體流動特性的表征,是閥門的重要性能參數之一。不同開度時截止閥的流阻因數曲線如圖3所示。由圖3可以看出,在0～40%開度時,開度越小,流阻越大。較小開度時的較大壓降使局部積累的壓能過大,存在漩渦和二次回流現象,對管道調節和使用性能存在不利影響。開度大于40%后,隨著開度增大,流通量增大,流阻減小。40%開度與80%開度相比,流阻因數高30%。隨著開度達到100%,流阻因數逐漸趨于穩定,即截止閥內流體達到穩定流動狀態。

5 速度

截止閥內部流動特性是用戶選擇閥門的重要決定因素之一,不同開度時截止閥內部速度云圖如圖4所示。由圖4可知,開度較小時,流體由截止閥閥芯出口流出,出口處和管道連接處出現一個高流速區域,存在湍流和回流現象,這一高速流場導致閥芯進口側受到沖擊。隨著開度增大,截止閥閥芯出口處高流速區域趨于穩定,射流現象及能量損失相應減弱,有助于減小過高流速對閥芯附近的沖擊。在截止閥開啟過程中,流速變化在出口側最為明顯。在截止閥關閉過程中,流速變化在進口側最為明顯。不同開度時,閥芯方向不同,引起流體流場擠壓效應,由此導致截止閥開啟和關閉過程中流速變化情況不相同。

6 壓力

不同開度時截止閥內部壓力云圖如圖5所示。由圖5可知,開度較小時,截止閥閥芯底部為高壓區,閥芯底部附近存在不同層流狀態。隨著開度增大,截止閥閥芯底部附近出口側出現小面積低壓區,并且有向管道出口側移動的趨勢。另一方面,隨著開度增大,截止閥閥芯及附近受力減小,壓力分布更為均勻。開度達到最大后,截止閥閥芯受力逐漸穩定并維持常數。截止閥過流面積隨著開度的增大而增大,可以有效保護閥芯,提高截止閥性能,延長使用壽命。

7 結束語

筆者對截止閥內部瞬態流動特性進行研究,通過對比分析四種不同開度,確認截止閥流阻因數隨開度變化存在顯著差異。截止閥閥芯在截止閥開啟和關閉過程中受到的流體流場擠壓效應是截止閥性能受到影響的主要原因。

開度較小時,截止閥閥芯底部受阻較大,局部積累的壓能較大,存在明顯漩渦﹑二次回流等現象,會降低管道調節精度,對截止閥使用性能構成影響。在截止閥開啟過程中,流速變化在出口側最為明顯,閥芯出口處附近出現不同程度的低壓區,流速逐漸趨于穩定,射流與能量損失減小,流體流場有向出口側移動的趨勢。在截止閥關閉過程中,流速變化在進口側最為明顯,流阻因數變化劇烈,存在較大變化梯度,這與實際情況是相符的。