偏心半球閥流場的可視化仿真分析

2015-10-11 李少爭 上海理工大學能源與動力工程學院

  通過ICEM軟件,使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的有限元法以及Fluent 軟件中基于各向同性渦粘性理論的k-ε雙方程模式,求解得到了不同開度下的偏心半球閥內(nèi)部三維流場的流場圖以及通過計算描繪了相關(guān)的閥門固有流量特性等曲線,并進行了相應(yīng)的分析。

1、概述

  閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,當流體通過閥門時會產(chǎn)生壓差,并成為影響管道局部水頭損失的主要因素。在閥門設(shè)計中,不僅注重結(jié)構(gòu)形態(tài),還需要研究不同類型不同結(jié)構(gòu)閥門的內(nèi)部流場的特殊性與差異性。偏心半球閥具有開關(guān)無摩擦,密封不易磨損,啟閉力矩小等優(yōu)點,可以減小所配執(zhí)行器的規(guī)格。配以多回轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機構(gòu),可實現(xiàn)對介質(zhì)的調(diào)節(jié)和嚴密切斷。因此廣泛適用于石油、化工、城市給排水等要求嚴格切斷的工況。本文通過運用Ansys等軟件,對DN250偏心半球閥在不同開度下的流場進行了數(shù)值模擬分析。以便為閥門安全與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

2、計算流程

  2.1、物理模型

  使用SolidWorks2014 三維軟件,按照1: 1的比例分別構(gòu)建偏心半球閥的所有組成部件的物理模型,利用SolidWorks中的裝配體版塊,給部件添加幾何關(guān)系、約束,以便組成偏心半球閥真實的物理模型(圖1) 。

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圖1 偏心半球閥

  2.2、結(jié)構(gòu)簡化及網(wǎng)格化分

  在閥門前后添加進口管道和出口管道。為了便于使用Ansys 中的Fluent 進行分析計算,對偏心半球閥的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化,并適當簡化流動區(qū)域中的圓角和倒角,以加快計算的收斂率。由于閥前閥后幾何形狀簡單都為圓柱體,而閥體腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且閥芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜,所以,在使用ICEM 劃分網(wǎng)格時,對于閥前后的兩段圓柱體流域劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,而對中間的復(fù)雜區(qū)域劃分自適應(yīng)性比較好的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。因為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分的方法不同,需要在兩種網(wǎng)格交界處建立交界面,即interface1 和interface2(圖2) 。

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圖2 開度為50°的偏心半球閥

  2.3、分析方法

  閥門內(nèi)部為湍流,因此設(shè)置湍流模型為具有平衡壁面函數(shù)的k -ε 模型,對流項均采用二階迎風差分方式進行離散。內(nèi)部區(qū)域設(shè)置為fluid,介質(zhì)選擇為water -liquid。管道入口面設(shè)置為速度入口(velocity -inlet) ,速度矢量,沿Y 軸正向。管道出口面設(shè)置為出流(Out flow) 邊界條件。interface1 和interface2 設(shè)置為interior,其他壁面設(shè)置為wall。求解器選擇SIMPLE 算法,默認求解控制參數(shù)。流場初始化、設(shè)置殘差監(jiān)視器、設(shè)置迭代次數(shù)進行求解計算,500 次左右計算收斂。

3、計算分析

  為了更好的研究偏心半球閥的流場特性,計算了閥門開啟角度從10°~90°,即從微開到全開,且每隔5°計算一次。共計17 個工況。

  3.1、流場分析

  在用Fluent 對閥門流域進行計算之后,為了便于更好的對比不同開度下的速度分布,統(tǒng)一設(shè)置速度云圖的最小值與最大值的范圍為0 ~6m /s。這樣可以更直觀的從顏色分布就可以看出最大速度出現(xiàn)的位置以及同一位置不同開度下的速度變化(圖3,圖4) 。

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圖3 不同開度下Z = 0 平面的速度云圖

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圖4 不同開度下Y = 0 平面的速度云圖

  當偏心半球閥開啟角度為10°( 微小開啟) 時,在閥芯開口邊緣處速度較大,但因為開度較小,速度大的區(qū)域較小,對閥體的沖擊也較小。但是此時可以看到在閥芯背面區(qū)域,有較小強度的漩渦形成。

  當偏心半球閥開啟角度為25°時,在閥芯開口邊緣處的速度依然較大,并且此時,速度大的區(qū)域增大,對閥芯和閥體的沖擊作用也較強。已能明顯的看出在閥芯背面形成了漩渦區(qū)域,流動極其復(fù)雜,對閥芯的影響也較大。

  當偏心半球閥開啟角度為45°或大于45°時,從速度云圖中可以看出,流經(jīng)閥芯的流體速度分布較為均勻,并且速度不是很大,也沒有漩渦。

  3.2、閥門損失系數(shù)

  流體流過閥門時,流體的阻力損失以閥門前后的流體壓降Δp 表示。根據(jù)水頭損失和局部損失系數(shù)可以推出局部損失系數(shù)與壓降的關(guān)系式。

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  取interface1 和interface2 計算閥門的壓力差,進而計算出閥門的局部損失系數(shù)。通過Fluent 中的面加權(quán)計算流域中重要截面的速度隨開度的變化曲線(圖5) 。

  從圖5 中可以看出,閥門進出口的速度在開度較小時,速度值較大,對閥芯和閥體腔的沖刷作用較強,易磨損閥芯和閥體腔。

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圖5 計算結(jié)果數(shù)據(jù)分析

4、結(jié)語

  模擬分析結(jié)果表明,偏心半球閥在開度大于45°時具有較好的流通性能。另外從局部損失系數(shù)隨著開度的變化趨勢可以看出,開啟角度大于40°之后,局部損失系數(shù)ξ 趨于一個常數(shù)。由此可以得出,此種偏心半球閥不能作為調(diào)節(jié)閥使用。應(yīng)該是只適用于完全開啟或完全關(guān)閉兩種工況。如果將偏心半球閥用作調(diào)節(jié)閥,容易損壞閥芯和閥體的結(jié)構(gòu)。因此閥門使用時一定要了解其功能及應(yīng)用范圍,避免造成不必要的損壞。