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基于CFD的多级调节阀流量特性分析

一、引言

某超临界多级调节阀安装在电厂的储水罐管路系统中。此调节阀工作环境恶劣,需要在高温高压的水路环境中工作,对多级调节阀流量特性的分析和研究,对于整个管路系统的安全与稳定具有重要意义。

CFD是利用流体域上离散点的数值来表示时间和空间的连续物理量,以一定的标准利用离散点数值和连续物理量之间的关系建立代数方程组,最终获得流体域上连续物理量的近似解。该方法可应用于计算域几何和边界条件复杂且难以进行解析解的场合。

调节阀的流量特性通常以相对流量与相对开度的关系来表示,调节阀实质上是一个带有多个节流孔板的流体系统局部阻力元件,本文通过计算多级调节阀不同开口度下的流量系数并绘制流量系数曲线,与实际测算的流量系数曲线作对比,以此分析多级调节阀的流量特性。

二、数值模拟与仿真

(一)流体运动基本控制方程与湍流模型

在连续流动介质动力学基础上,一般的CFD软件都是通过求解不同维数的动量守恒方程来得到未知量的。动量守恒方程即N-S方程是由纳维(Navier)和斯托克斯(Stokes)于19世纪中期建立并提出的描述流体动量守恒的偏微分方程。其与质量守恒方程和能量守恒方程联立一起构成了描述流体运动规律的封闭方程组。

1.质量守恒方程

    (1)

其中ρ(x,y,z,t)代表液体的密度,它是位置和时间的函数,本例中流场流动为三维定常流动, 代表速度矢量。

2.动量守恒方程

其中p代表微体积上的压力,τ代表粘性应力,上式中分别有三个坐标分量上的粘性应力,F代表微元上的体积力,代表速度矢量,u,v,w代表三个坐标方向的速度分量。

本例中多级调节阀结构复杂,有大量小孔和缝隙结构,采用全湍流模型计算,选取k-ε模型。此模型适用范围广,能解决一般工程中的单相流动问题,并且可以达到比较高的精度。k和ε主要是基于湍流动能和扩散率。关于湍流动能k的方程和关于扩散率ε的方程如下:

    (5)
 

基中σk和σε是湍流方程的prandtl数,σk=1, σε=1.3,C1=1.92,μt=ρC2k2/ε,C2=0.09。

(二)调节阀建模与边界条件设定

本例中的调节阀为多级调压调速阀,主要作用是使高温高压的水蒸气与低温冷却水混合,并且使液流静压强通过多级减压减小到合理的范围内,调节阀结构中还有多个匀流装置,它的功能是使流体尽量均匀通过流场。多级调节阀流场模型建立过程如图1所示,先建立阀芯模型,然后建立阀体轮廓模型,通过布尔运算得到流体域的模型。本例采用半模型计算。

图1 流体域布尔运算过程图

根据JB/T5296-1991《通用阀门、流量系数和流阻系数的试验方法》其中的相关要求和试验规定,如果要计算流场的流量系数和流阻系数,必须严格控制在一定条件中施行,本例计算从5%到100%这11个开口度下的流量系数,试验的模拟条件如表1所示。

表1 参数对应值列表

(三)求解控制与结果输出

在计算过程中,压力和速度参数采用一阶迎风差分格式求解,动量方程和湍流方程中的求解项采用二阶高精度差分格式求解,结合调节阀长度尺度和速度尺度,迭代步数设为300步,残差类型选择基于计算域内的最大残差,具体的值为0.0001。CFX提供了非常灵活的输出控制方式,可以通过CEL语言计算得出指定位置的积分量。

三、流量特性分析与验证

(一)部分开口度流场速度和压力的分布情况

调节阀在开口度为50%时的仿真结果如图2和图3所示。图例中压强数值均为相对压强,本调节阀为二级调节阀,液流进入阀腔后,在经过第一级减压时,过流断面急剧减小,压力减小,速度增加;同样,第二级减压时,压强减小到接近或等于大气压强,速度在小孔过流断面内增加,上述现象符合流体连续性和伯努利方程的特性。编辑CEL流量积分函数求入口和出口的流量,计算平均值。剩余开口度计算方法相同。

图2 50%开度时流体域压力变化图


图3 50%开度时流体域速度变化图

(二)流量系数的计算

调节阀的流量特性一般认为有如下四种:快开、直线、抛物线和等百分比流量特性,如图4所示。流量与开口度呈现出不同的关系。直线流量特性表现为开口度和流量的变化呈现线性关系。

1-快开流量特性 2-直线流量特性

3-抛物线流量特性 4-等百分比流量特性

图4 四种调节阀流量特性

根据JB/T5296-1991《通用阀门、流量系数和流阻系数的试验方法》的相关规定和试验方法的要求,调节阀流场的流量系数Kυ计算方法如下:

    (2.22)

Q———平均流量(t/h),出入口流量取平均值

ρ———流体密度(kg/m3),即水的密度998.2kg/m3

ρ 0———流体标准密度1000kg/m3

ΔP———压差(KPa),0.035MPa=35KPa

计算所有开口度下的流量,整理成数据表,如表2所示,并在此基础上拟合数据,如图5所示。

表2 所有开口度下的流量系数列表

图5 流量系数变化图

根据工厂实际测算的流量和速度,实测数据如表3所示,理论流量系数曲线和实际测算的流量系数曲线绘制在同一图例中,如图6所示。

表3 所有开口度下的流量系数列表

图6 流量系数对比图

图6和表3明,该多级调节阀流量特性近似属于直线流量特性,且理论计算的流量系数曲线和实测的流量系数曲线吻合度良好,证明了数值计算的正确性,因此,上述分析流量特性的方法可行。

四、结论与展望

1)基于CFD方法计算了多级调节阀流量系数曲线,分析了调节阀的流量特性,并与实测的数据进行了对比,验证了方法的可行性,可以在后续工程实践中有效地分析调节阀的流量特性。

2)调节阀流量特性和阀体平均流通面积有密切联系,本文分析流量特性的方法对调节阀的结构设计和结构优化有一定的参考作用。

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