浙江中特气动阀门成套有限公司
不同开度下球阀管路流场的仿真分析

1 前言

阀门通过改变介质流动截面、流动方向等方式来控制输送管路中的流体压力、流量等流动参数,是液体流动管路中非常重要的调节元件,被广泛应用于水利输送、化工、市政、航空航天等领域,已成为国民经济中不可缺少的工业管路设备之一。

为满足人们对管路流动中压力、流量等物理量的需求,要求使用人员对阀门的特性十分了解,对阀门的控制方法有较为清楚的认识。然而由于阀门的内部结构影响,介质在流经阀门时,会出现漩涡、空化和水击等复杂现象,尤其阀门在打开和关闭过程中,由于开度的瞬态变化,流体介质在经过阀门时,在阀门下游极易产生这些复杂流动,使得人们对阀门水力特性的分析与性能预测产生较大的困难,甚至对输送管路的带来一定的安全隐患和事故。

本文以球阀为例,应用FLUENT仿真软件,研究其在不同开度下液体管路流动中的流量、压力变化。

2 数学模型的建立

流体介质经过球阀时,其流动属于湍流流动,本文中不考虑热传递和能量交换,假设流体为不可压缩流体,忽略流体介质的密度变化,以水为流动介质。采用k-ε二方程标准湍流模型,实现对球阀内部的湍流流动。建立连续性方程和动量方程如下:

连续性方程:

    (1)

动量方程:

    (2)

式中  ρ———密度

p———压力

μ———粘性系数

gi———重力加速度

Fi———外加作用力

3 仿真模型与边界条件

3.1 尺寸设置

使用Workbench的DesignModeler模块建立阀门管路的仿真模型,由于阀门中流体呈对称分布,因此建立二维仿真模型,简化计算量,并且能够更好地反映阀门内部的流动情况。流动管路直径为150mm,球阀阀芯直径210mm,阀前后管路长500mm,以使流动能够充分发展稳定。以阀芯转动角度确定阀门开度,阀门全关时开度为0°,全开时的开度为90°,分别建立开度为0°(由于受软件功能限制,仿真中取0.8°即为全关)、15°、30°、45°、60°、75°、90°的阀门开度研究流场变化。建立的二维模型如图1所示。

图1 球阀二维模型

3.2 网格划分

利用Meshing模块进行网格划分,为保证计算精度,对网格尺寸划分较小,尽可能多的采用结构化网格,控制网格大小,管路部分网格尺寸为5mm,阀门及附近网格尺寸为2mm,网格总量16000左右,如图2所示。

图2 球阀模型网格划分

3.3 边界条件

为简化计算,设置入口边界条件为速度进口velocity-inlet,大小为20m/s,流动方向为+x方向,y方向速度为0。设置出口边界条件为自由出流outflow,管路壁面为刚性壁面,流体介质为水,温度是常温状态(300K)。

4 仿真结果分析

阀门开度为0°时,仿真模拟结果如图3所示。

图3 球阀开度为0°时速度、压力云图

由于阀门的阻碍作用,在阀门前后的速度流场都是0。但在仿真中,由于软件自身局限,无法使阀门开度达到0°,因此在阀芯内部产生了比较大的涡流;在实际应用中,由于扰动等原因,整个流场中也可能出现类似的涡。其压力图也是较为明显地分为不同压力层次的3个部分,由于阀门的阻塞作用,其入口压力达到1.647×104Pa。图4,5分别是阀门开度为15°,30°时的速度和压力云图。从图可见,阀门开度较小时阀门的流阻较大,表现出十分明显的节流作用。流体按照设定的速度进入阀门,在阀芯的入口和出口处速度相对较大,最大流速出现在阀门出口处,15°和30°时阀门出口速度极值分别大约为初始速度的13.5倍和6.15倍,远远高于初始速度。阀芯处和阀门出口都有强烈的涡流回旋,速度梯度十分明显,且旋转方向相反,在阀门出口处对下游的影响十分显著。其压力分布依然大致分为3个主要区域,阀前表现为高压区,阀后表现为低压区,阀芯处出现了较小的压力变化,在阀门入口和出口处的压力梯度十分明显。

图4 球阀开度为15°时速度、压力云图

图5 球阀开度为30°时速度、压力云图

由于本案例设置出口条件为自由出口,因此在阀门出口之后的管路不受外界压力作用,阀门出口以外的液体会持续向管路出口流动,而该部分液体逐渐减少,相对于该部分的管路前后形成一定的负压。

图6是阀门开度为45°时的速度和压力云图。此时阀门开度处于中等程度,阀门的流阻有所减小,其节流作用也不十分强烈,在阀门出入口已基本形成一定面积的稳定流动,阀芯内部主要流动区域的速度为初始速度1~2倍,阀门出口处的最高速度大约为初始速度的3.12倍。阀芯处和阀门出口依然有较为明显的旋转方向相反的涡流回旋,但速度梯度有所减小,且在阀门出口处对下游的影响域也有所减少。除去阀前管路的高压区和阀后管路的低压区,阀芯处的压力区域向外扩展,在阀门入口和出口处的压力变化范围减小,变化梯度大幅降低。有一部分沿壁面形成了一定流量的管路流动,但阀门以后部分的流动依然在继续,并且由于涡流的作用,该部分处于涡流的中心,因此负压区域依然存在,但在逐步减小。

图6 球阀开度为45°时速度、压力云图

图7,8分别是阀门开度为60°和75°时的速度和压力云图。阀门开度较大,阀门的流阻有很大减小,节流作用进一步变弱,在阀门出入口形成较大范围的稳定流动,阀芯内部的主要流动区域的速度为初始速度1~2倍。阀芯处和阀门出口依然保持着一定的旋转方向相反的涡流回旋,但涡流范围明显缩小,阀门出口处涡流对下游延伸大幅减小。阀前管路和阀后管路的压力差明显减小,阀芯处的压力区域逐渐消失,形成较大范围的压力逐步变化趋势,在阀后较近距离内出现正常的出口压力,负压区域进一步减小。

图7 球阀开度为60°时速度、压力云图

图8 球阀开度为75°时速度、压力云图

图9是阀门开度为90°时的速度和压力云图。

图9 球阀开度为0°时速度、压力云图

此时阀门处于全开状态,其节流作用基本消失。由于模型中球体内部有一定弧度,在流体介质流经阀门时截面面积略有增加,导致阀门处的流动速度有所减小,但对阀门整体流动趋势基本没有影响,阀门前后流体流动速度基本不变。阀门前后区域都保持着一定的压力范围,在阀门内部贴近阀芯部分有较小范围的高压区,但整体压力变化不大。

5 结论

(1)当阀门开度较小时,阀门的节流作用非常明显,在某些区域会产生数倍于初始速度的流动,速度梯度较大。当阀门开度较大时,球阀过流特性较好,流态相对稳定,速度梯度较小。

(2)随着阀门开度的逐渐增大,阀门内部的漩涡范围逐步减小直至消失;在球阀的下游流道内,漩涡间的相互作用逐渐减弱,漩涡大小随着阀门开度的增加而减小,漩涡的形成范围也在逐步减小,最终消失。

(3)由于仿真软件自身局限性和阀门实际结构的复杂性,本文在建模时对阀门结构进行了简化,在某些参数设置上取了一定近似值,因而数值仿真与实际情况存在一定的差异,但总体而言,仿真效果较好。

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