蝶阀内部流场分析报告

-1-武汉大学科研项目研究报告蝶阀内部流场研究报告动力与机械学院二○一〇年十月-2-参与人员符向前冯卫民吴昊张斌-3-目录一、蝶阀...........................................................................................................................................4二、CFD仿真及软件......................................................................................................................5三、三维湍流理论...........................................................................................................................6四、蝶阀流场计算...........................................................................................................................8五、仿真结果及分析.......................................................................................................................9-4-阀门是一种通用性很强的流体机械。是流体工程系统中调节和控制流体，以实现流体生产功能、确保工程安全的重要设备。然而，阀门这种外在的调控能力及特性，主要还是取决于其内部流场的结构及变化规律。受武汉大禹阀门制造有限公司的委托，我们将对其蝶式斜置密封多功能止回阀进行内部流场的结构分析和机理研究，并在此基础上给出固有流量特性曲线、汽蚀性能曲线及一些特征参数。一、蝶阀蝶阀（图1）是一种常见的阀门，主要用于截断或接通介质流，在某些特殊的情况下允许用来在一定范围内调控介质的流量和压力。它结构简单，维修方便；外形尺寸小，重量轻，适合较大口径；开启力小，开关较快；有调节性能，但不精确。图1蝶阀蝶阀的流阻特性等相关特性以往主要通过实验求得，随着计算流体力学和计算机技术的发展，用数值计算的方法得到蝶阀的流阻特性已经成为可能。与实验方法相比，用计算流体力学对蝶阀的流动情况进行模拟不仅简便易行，而且还可以了解蝶阀内部流场的详细情况，如压力流速分布、分离流动区域等。对于指导蝶阀的设计、改善其流动状况、减小流动阻力具有重要意义。-5-大禹阀门厂的蝶式斜置密封多功能止回阀阀板采用流线型设计，流阻小，过流面积大；阀轴采用半轴形式，用楔销与阀板连结，牢固可靠；轴端密封采用自紧式密封与可调式密封相结合的组合式密封，密封效果好；轴承采用复合材料的轴承，具有承载能力强，耐磨性好，摩擦阻力小等优点；主密封采用实心橡胶密封安装于阀板上，密封严密可靠；长时间工作后还可方便地调整密封比压，更换也很方便；阀板与阀座的密封面为锥型，故阀门为斜置锥型密封形式，具有自密封性，密封效果好；同时，阀体短小，节省安装空间。图2蝶式斜置密封止回阀二、CFD仿真及软件近几十年来计算流体动力学(ComputationalFluidDynamics－CFD)的迅猛发展，计算机性能的飞速提高，CFD被广泛地应用在科学研究和工程实践中。使应用CFD数值模拟技术对阀门内部流动进行计算机仿真成为可能。从某种意义上说应用数值仿真的方法研究内部流场的流动规律，预测性能不仅系统全面、相对准确，而且周期短、费用少。应该特别指出的是当今CFD的发展水平和生产应用的基础是成熟的理论研究、大量的科学实验和丰富的工程经验，其可信度和准确性是完全可以满足生产实际的要求的。随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于-6-现有流动理论的商用CFD软件，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界（初值）条件和计算结果的合理解释等重要方面。这里我们采用的是Ansys公司的商用CFD软件FLUENT。FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD大型软件包，在美国的市场占有率为60%。举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，FLUENT是基于有限体积法的软件，可以计算的物理问题类型有：定常与非定常流动，不可压缩与可压缩流动，含有粒子╱液滴的蒸发、燃烧过程，多组分介质的化学反应过程等。在利用FLUENT软件进行流体流动模拟计算时，先利用Pro/E进行流动区域几何形状的构建，在利用Gambit生成模型的边界类型以及网格，并输出用于FLUENT求解器计算的格式，然后应用FLUENT求解器对流动区域进行求解计算，并进行计算结果的后处理。图3FLUENT软件的基本程序结构三、三维湍流理论流体运动所遵循的规律是由物理学三大定律规定的，即质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。这三大定律对流体运动的数学描述就构成了流体动力-7-学的基本方程组。3.1控制方程泵站进水流道、出水流道中的实际流动是湍流。在定常条件下，采用k-ε湍流模型时，描述泵站进出水流道内的定常不可压缩流动的方程如下：连续方程：0iixu(1)动量方程：)])([(1ijjitjiijijxuxuvxxpfxuu(2)紊动能k方程：riktiiiPxkxxku])[((3)紊动能耗散率ε方程：)(])[(21CPCkxxxuritiii(4)上面各式中，xi（i=1,2,3）为笛卡尔坐标系坐标，ui（i=1,2,3）为沿i方向的速度分量，fi为沿i方向的质量力，p为压力（实际上为压强，本文从工程习惯称为压力），ρ为水的密度，ν为水的运动粘性系数。Pr为紊动能生成率，其表达式为：jiijjitrxuxuxuP)((5)式中：νt──为涡粘性系数，可采用下式进行计算：2kCt(6)k模型中经验常数的取值如表1所示。c1c2ck0.091.441.921.01.3表1k模型中的经验常数（2）流场出口：在此只考虑在流道内的流动，而且在流道出口处水流一般-8-是充分发展的湍流，一般认为此时的下游边界的流动状态影响不到上游方向的流场。因此，在流场出口的边界条件仅为沿垂直于该断面方向的压力梯度为零，此外，还有：0nnKnwnvnu(7)（3）固壁边界：在固壁上采用无滑移条件，有速度u=v=w=0，且因本次计算主要考虑局部损失，则固壁处的摩阻流速不计。四、蝶阀流场计算计算模型：1、取阀体以及阀体前后两段管道为计算区域，使用分块网格划分，其中管道采用结构化网格化分，阀体采用非结构网格划分；2、阀门全开时，在最大流量情况下，管道内可视为完全发展的湍流，运用基于各向同性涡粘性理论的k-ε双方程模式进行计算；3、采用求解压力耦合方程的半隐式SIMPLEC算法；4、进口处边界条件为速度进口，出口处为压力出口。其中计算简图如下：图4计算简图-9-图5蝶阀蝶板外型图五、仿真结果及分析图6（a）等压图-10-图6（b）等速图图6（c）速度矢量图图6绝对开度30度图7（a）等压图-11-图7（b）等速图图7（c）速度矢量图图7绝对开度50度图8（a）等压图-12-图8（b）等速图图8（c）速度矢量图图8绝对开度70度图9（a）等压图-13-图9（b）等速图图9（c）速度矢量图图9绝对开度90度(全开)通过计算结果可以发现：当蝶阀开度较小时，在x-y平面形成了较大的回流区，可以发现在阀瓣的上方和下方分别形成了两个很大的回流区。回流区内中心压力较低，并控制了阀门整个流场的结构。当阀门开度逐渐增大时，回流区开始缩小当开度达到50度时，水流绕过蝶板边缘后发生分离，在对称面的左、右方形成两个相似的分离涡区。分离区是压力较均匀的低压区，流体的机械能主要被这些旋涡消耗。旋涡在往下游发展的过程逐渐减弱流动逐步趋向均匀。回流区逐渐消失。-14-过阀损失系数根据过阀流量Q、碟阀前后测压环管之间的水头损失wh及直管沿程水头损失fh，得出过阀损失系数：22jghV24()QVDgvDLhf22jh＝wh－fh其中为直管沿程损失系数；D为直管管径；L为测压环管到阀门法兰之间的距离。0.110044fh根据经验公式取λ=0.3，则：0.110044fh阀进口给定流速Vf＝2m/s，jfjhVhg9.422(9)0501001502002503003504000.20.30.40.50.60.70.80.91阀门相对开度过阀损失系数图10阀门过阀损失系数图-15-全开情况下，蝶阀过阀局部损失系数ξ≈0.31，局部过阀损失0.06444hm阀门固有流量特性阀门的阀门固有流量特性是衡量阀门流通能力的指标，流量系数值越大，说明流体流过阀门的压力损失越小。阀门固有流量特性是当水流经过阀门的两端压差为100kPa时，某给定行程所流过以m3/h计的流量数值。阀门固有流量特性的计算公式如下：pQC(10)式中C—阀门固有流量特性m3/3600；Q—经过阀门的流量值。单位为m3/h；ρ—流体密度，本系统所用流体为水，ρ=1；Δρ—阀门两端的压力差，单位为100kPa。0100002000030000400005000060000700000.20.30.40.50.60.70.80.91阀门相对开度阀门流量系数图11过阀阀门固有流量特性图阀门无量纲开度方程（8）两边同乘阀前管道的横截面面积A即可得过阀流量：ffHgAQ2(11)-16-阀的容量系数，即广义的流量系数Cf。它是由孔口出流的流量系数演变而来。可用如下算式来定量分析过阀流量：fffHCQ（12）由（12）式，便可以得到两基本特性系数之间的关系：gACf2（13）令：)/(/00CCf，即阀的无量纲开度00.10.20.30.40.50.60.70.80.910.20.30.40.50.60.70.80.91阀门相对开度无量纲开度图12阀门无量纲开度曲线图阀门的气蚀系数：不同结构形式的阀门有其不同的气蚀系数，其一般的计算公式如下PHgVPHH1021221（14）式中:H1——阀后(出口)压力mH2——大气压与其温度相对应的饱和蒸气压力之差mΔP——阀门前后的压差m各种阀门由于构造不同，因此允许的气蚀系数δ也不同，如计算的气蚀系数-17-大于容许气蚀系数，则说明可用，不会发生气蚀。如蝶阀容许气蚀系数为2.5，当δ2.5，则不会发生气蚀。当2.5δ1.5时，会发生轻微气蚀。当δ1.5时，产生振动。当δ0.5的情况继续使用时，则会损伤阀门和下游配管。下图是出口为自由液面时的阀门气蚀系数图。0102030405060700.20.30.40.50.60.70.80.91阀门相对开度阀门气蚀系数图13阀门气蚀系数图压力恢复系数阀门的形式将影响其对气蚀的敏感性，本次计算的蝶阀一般为高复原阀门。在进口压力和压降相同的情况卜，流体通过收缩截面时，高复原阀门的阀后出口压力恢复远大于低复原阀门。阀门的复原性可用压力恢复系数FL表示。vcLPPPPF121（15）FL越接近1.0，压力恢复越少。LF-18-图14阀门压力恢复系数图00.10.20.30.40.50.60.70.80.20.30.40.50.60.70.80.91阀门相对开度压力恢复系数图15阀门压力恢复系数-19-相对开度进口压力P1（pa）出口压力P2（pa）计算总水