蝶閥內(nèi)部流場分析實施報告

1、-. z.大學(xué)科研項目研究報告蝶閥部流場研究報告動力與機械學(xué)院二一年十月參與人員符向前 衛(wèi)民 吳昊 斌目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc383016323一、蝶閥 PAGEREF _Toc383016323 h 4HYPERLINK l _Toc383016324二、CFD仿真及軟件 PAGEREF _Toc383016324 h 5HYPERLINK l _Toc383016325三、三維湍流理論 PAGEREF _Toc383016325 h 6HYPERLINK l _Toc383016326四、蝶閥流場計算 PAGEREF _Toc383016326

2、 h 8HYPERLINK l _Toc383016327五、仿真結(jié)果及分析 PAGEREF _Toc383016327 h 9閥門是一種通用性很強的流體機械。是流體工程系統(tǒng)中調(diào)節(jié)和控制流體，以實現(xiàn)流體生產(chǎn)功能、確保工程安全的重要設(shè)備。然而，閥門這種外在的調(diào)控能力及特性，主要還是取決于其部流場的結(jié)構(gòu)及變化規(guī)律。受大禹閥門制造的委托，我們將對其蝶式斜置密封多功能止回閥進行部流場的結(jié)構(gòu)分析和機理研究，并在此基礎(chǔ)上給出固有流量特性曲線、汽蝕性能曲線及一些特征參數(shù)。一、蝶閥蝶閥（圖1）是一種常見的閥門，主要用于截斷或接通介質(zhì)流，在*些特殊的情況下允許用來在一定圍調(diào)控介質(zhì)的流量和壓力。它結(jié)構(gòu)簡單，維修方

3、便；外形尺寸小，重量輕，適合較大口徑；開啟力小，開關(guān)較快；有調(diào)節(jié)性能，但不精確。圖1 蝶閥蝶閥的流阻特性等相關(guān)特性以往主要通過實驗求得，隨著計算流體力學(xué)和計算機技術(shù)的發(fā)展，用數(shù)值計算的方法得到蝶閥的流阻特性已經(jīng)成為可能。與實驗方法相比，用計算流體力學(xué)對蝶閥的流動情況進行模擬不僅簡便易行，而且還可以了解蝶閥部流場的詳細情況，如壓力流速分布、分離流動區(qū)域等。對于指導(dǎo)蝶閥的設(shè)計、改善其流動狀況、減小流動阻力具有重要意義。大禹閥門廠的蝶式斜置密封多功能止回閥閥板采用流線型設(shè)計，流阻小，過流面積大；閥軸采用半軸形式，用楔銷與閥板連結(jié)，牢固可靠；軸端密封采用自緊式密封與可調(diào)式密封相結(jié)合的組合式密封，密封效

4、果好；軸承采用復(fù)合材料的軸承，具有承載能力強，耐磨性好，摩擦阻力小等優(yōu)點；主密封采用實心橡膠密封安裝于閥板上，密封嚴密可靠；長時間工作后還可方便地調(diào)整密封比壓，更換也很方便；閥板與閥座的密封面為錐型，故閥門為斜置錐型密封形式，具有自密封性，密封效果好；同時，閥體短小，節(jié)省安裝空間。圖2 蝶式斜置密封止回閥二、CFD仿真及軟件近幾十年來計算流體動力學(xué)(putational Fluid DynamicsCFD)的迅猛發(fā)展，計算機性能的飛速提高，CFD被廣泛地應(yīng)用在科學(xué)研究和工程實踐中。使應(yīng)用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對閥門部流動進行計算機仿真成為可能。從*種意義上說應(yīng)用數(shù)值仿真的方法研究部流場的流動規(guī)律，

5、預(yù)測性能不僅系統(tǒng)全面、相對準確，而且周期短、費用少。應(yīng)該特別指出的是當今CFD的發(fā)展水平和生產(chǎn)應(yīng)用的基礎(chǔ)是成熟的理論研究、大量的科學(xué)實驗和豐富的工程經(jīng)驗，其可信度和準確性是完全可以滿足生產(chǎn)實際的要求的。隨著計算機硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展和數(shù)值計算方法的日趨成熟，出現(xiàn)了基于現(xiàn)有流動理論的商用CFD軟件，從而使研究人員從編制繁雜、重復(fù)性的程序中解放出來，以更多的精力投入到考慮所計算的流動問題的物理本質(zhì)、問題的提法、邊界（初值）條件和計算結(jié)果的合理解釋等重要方面。這里我們采用的是Ansys公司的商用CFD軟件FLUENT。FLUENT是目前國際上比較流行的商用CFD大型軟件包，在美國的市場占有率為60%

6、。舉凡跟流體，熱傳遞及化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。它具有豐富的物理模型、先進的數(shù)值方法以及強大的前后處理功能，F(xiàn)LUENT是基于有限體積法的軟件，可以計算的物理問題類型有：定常與非定常流動，不可壓縮與可壓縮流動，含有粒子液滴的蒸發(fā)、燃燒過程，多組分介質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)過程等。在利用FLUENT軟件進行流體流動模擬計算時，先利用Pro/E進行流動區(qū)域幾何形狀的構(gòu)建，在利用Gambit生成模型的邊界類型以及網(wǎng)格，并輸出用于FLUENT求解器計算的格式，然后應(yīng)用FLUENT求解器對流動區(qū)域進行求解計算，并進行計算結(jié)果的后處理。圖3 FLUENT軟件的基本程序結(jié)構(gòu)三、三維湍流理論 流體運動所遵循的規(guī)律是由

7、物理學(xué)三大定律規(guī)定的，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律。這三大定律對流體運動的數(shù)學(xué)描述就構(gòu)成了流體動力學(xué)的基本方程組。3.1 控制方程泵站進水流道、出水流道中的實際流動是湍流。在定常條件下，采用k-湍流模型時，描述泵站進出水流道的定常不可壓縮流動的方程如下：連續(xù)方程： (1)動量方程： (2)紊動能k方程： (3)紊動能耗散率方程： (4)上面各式中，*i（i=1,2,3）為笛卡爾坐標系坐標，ui（i=1,2,3）為沿方向的速度分量，fi為沿i方向的質(zhì)量力，p為壓力（實際上為壓強，本文從工程習(xí)慣稱為壓力），為水的密度，為水的運動粘性系數(shù)。Pr為紊動能生成率，其表達式為： (5)式中：

8、t為渦粘性系數(shù)，可采用下式進行計算：(6)模型中經(jīng)驗常數(shù)的取值如表1所示。0.091.441.921.01.3表1 模型中的經(jīng)驗常數(shù)（2）流場出口：在此只考慮在流道的流動，而且在流道出口處水流一般是充分發(fā)展的湍流，一般認為此時的下游邊界的流動狀態(tài)影響不到上游方向的流場。因此，在流場出口的邊界條件僅為沿垂直于該斷面方向的壓力梯度為零，此外，還有：(7)（3）固壁邊界：在固壁上采用無滑移條件，有速度u=v=w=0，且因本次計算主要考慮局部損失，則固壁處的摩阻流速不計。四、蝶閥流場計算計算模型：1、取閥體以及閥體前后兩段管道為計算區(qū)域，使用分塊網(wǎng)格劃分，其中管道采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格化分，閥體采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

9、劃分；2、閥門全開時，在最大流量情況下，管道可視為完全發(fā)展的湍流，運用基于各向同性渦粘性理論的k-雙方程模式進行計算；3、采用求解壓力耦合方程的半隱式SIMPLEC算法；4、進口處邊界條件為速度進口，出口處為壓力出口。其中計算簡圖如下：圖4 計算簡圖圖5 蝶閥蝶板外型圖五、仿真結(jié)果及分析圖6（a）等壓圖圖6（b）等速圖圖6（c）速度矢量圖圖6 絕對開度30度圖7（a）等壓圖圖7（b）等速圖圖7（c）速度矢量圖圖7 絕對開度50度圖8（a）等壓圖圖8（b）等速圖圖8（c）速度矢量圖圖8 絕對開度70度圖9（a）等壓圖圖9（b）等速圖圖9（c）速度矢量圖圖9 絕對開度90度(全開)通過計算結(jié)果可以

10、發(fā)現(xiàn)：當?shù)y開度較小時，在*-y平面形成了較大的回流區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)在閥瓣的上方和下方分別形成了兩個很大的回流區(qū)。回流區(qū)中心壓力較低，并控制了閥門整個流場的結(jié)構(gòu)。當閥門開度逐漸增大時，回流區(qū)開始縮小當開度達到50度時，水流繞過蝶板邊緣后發(fā)生分離，在對稱面的左、右方形成兩個相似的分離渦區(qū)。分離區(qū)是壓力較均勻的低壓區(qū)，流體的機械能主要被這些旋渦消耗。旋渦在往下游發(fā)展的過程逐漸減弱流動逐步趨向均勻。回流區(qū)逐漸消失。過閥損失系數(shù)根據(jù)過閥流量Q、碟閥前后測壓環(huán)管之間的水頭損失及直管沿程水頭損失，得出過閥損失系數(shù)：其中 為直管沿程損失系數(shù)； 為直管管徑； 為測壓環(huán)管到閥門法蘭之間的距離。根據(jù)經(jīng)驗公式取=0.3

11、，則：閥進口給定流速Vf2m/s， (9) 圖10 閥門過閥損失系數(shù)圖 全開情況下，蝶閥過閥局部損失系數(shù)0.31，局部過閥損失m閥門固有流量特性閥門的閥門固有流量特性是衡量閥門流通能力的指標，流量系數(shù)值越大，說明流體流過閥門的壓力損失越小。閥門固有流量特性是當水流經(jīng)過閥門的兩端壓差為100kPa時，*給定行程所流過以m3/h計的流量數(shù)值。閥門固有流量特性的計算公式如下： (10) 式中 C閥門固有流量特性m3/3600； Q經(jīng)過閥門的流量值。單位為m3/h；流體密度，本系統(tǒng)所用流體為水，=1；閥門兩端的壓力差，單位為100kPa。圖11 過閥閥門固有流量特性圖閥門無量綱開度方程（8）兩邊同乘閥

12、前管道的橫截面面積A即可得過閥流量：(11)閥的容量系數(shù)，即廣義的流量系數(shù)Cf。它是由孔口出流的流量系數(shù)演變而來?？捎萌缦滤闶絹矶糠治鲞^閥流量：（12）由（12）式，便可以得到兩基本特性系數(shù)之間的關(guān)系： （13）令：，即閥的無量綱開度圖12 閥門無量綱開度曲線圖閥門的氣蝕系數(shù)：不同結(jié)構(gòu)形式的閥門有其不同的氣蝕系數(shù)，其一般的計算公式如下 （14） 式中:H1閥后(出口)壓力m H2 大氣壓與其溫度相對應(yīng)的飽和蒸氣壓力之差mP閥門前后的壓差m各種閥門由于構(gòu)造不同，因此允許的氣蝕系數(shù)也不同，如計算的氣蝕系數(shù)大于容許氣蝕系數(shù)，則說明可用，不會發(fā)生氣蝕。如蝶閥容許氣蝕系數(shù)為2.5， 當2.5，則不會發(fā)

13、生氣蝕。 當2.5 1.5時，會發(fā)生輕微氣蝕。 當1.5時，產(chǎn)生振動。 當0.5的情況繼續(xù)使用時，則會損傷閥門和下游配管。 下圖是出口為自由液面時的閥門氣蝕系數(shù)圖。圖13閥門氣蝕系數(shù)圖壓力恢復(fù)系數(shù) 閥門的形式將影響其對氣蝕的敏感性，本次計算的蝶閥一般為高復(fù)原閥門。在進口壓力和壓降相同的情況卜，流體通過收縮截面時，高復(fù)原閥門的閥后出口壓力恢復(fù)遠大于低復(fù)原閥門。閥門的復(fù)原性可用壓力恢復(fù)系數(shù)FL表示。 （15）FL越接近1.0，壓力恢復(fù)越少。圖14 閥門壓力恢復(fù)系數(shù)圖圖15閥門壓力恢復(fù)系數(shù)-. z.相對開度進口壓力P1（pa）出口壓力P2（pa）計算總水頭損失(m)最低壓力點Pvc(pa)計算局部水

14、頭損失（m）流量系數(shù)C（m2/3600）損失系數(shù)容量系數(shù)C無量綱開度閥門氣蝕系數(shù)壓力恢復(fù)系數(shù)12592.475879.290650.174487-4842.130.06444366492.210.3157729.514246157.863870.4800350.894417.29931926.90470.254122-6052.960470.7059826.3630390.66879140.151640.4877030.788135.57373627.67580.45999-5705.420.34994640952.341.7147334.0828460.4291322.559120.5706940.6715255.2045788.06930.966034-131460.8559928258.984.1943522.6105310.27438110.970010.5773520.5629825.2257950.2072.232145-31160.32.12210118590.5210.398291.6579840.1742634.8464750.5989090.4473043.14115992.7835.821465-58542.65.71142111511.62