截止阀内部瞬态流动特性研究

□ 林孙荣 □ 潘 颂 □ 林孙强

浙江精嘉阀门有限公司 浙江温州 325000

1 研究背景

截止阀是管道系统中的重要控制元件,具有截止、稳压、启闭迅速的特点,同时也是产生流体动能损耗的主要管道设备之一。设计截止阀时,不应只注重阀门结构形式而忽视阻力和流态损耗特性。流体流经管道产生漩涡、回流、噪声、水锤、汽蚀等现象,会导致截止阀内部区域的压力损失。截止阀结构特性复杂,一般难以掌握其内部流动特性,在设计中经常对流动特性考虑不充分,进而引起管道设备流阻因数偏高,压力损失偏大。笔者应用仿真软件,基于计算流体动力学原理,对截止阀内部瞬态流动特性进行研究,模拟并分析不同开度截止阀的流场。

2 建模

截止阀三维结构如图1所示。应用计算流体动力学仿真软件对四种不同开度截止阀的流阻因数曲线及内部流通性能进行分析。

截止阀全流道模型如图2所示。根据相关标准,全流道模型计算区域进口处长度取5倍管道内径,出口处长度取10倍管道内径。应用Workbench软件对计算区域进行网格划分。管道与截止阀均采用四面体结构网格,通过自适应网格布置对流场进行调整,进而模拟出更加准确、形象的流态。

动网格技术是仿真分析时不可缺少的组成部分,对仿真结果有重要影响。采用动网格技术对截止阀全流道运动区域进行网格划分,为保证模拟的精准性,设置合适的网格划分方式、网格大小,以及接触面控制,使截止阀内部流场瞬态特性更精准,从而保证分析的准确性。

3 数值模拟

在数值模拟时,控制方程采用符合工程技术要求的三维收敛性精确不可压缩标准k-ε方程组,速度和压力之间的耦合组合计算采用SIMPLE算法实现,同时选用非稳态时间计算分析器,流体流经管道接触的壁面设置为静止无滑移固壁边界。在数值模拟计算过程中,内部流体介质为水,温度为常温25 ℃,忽略重力对流体区域的影响。进口边界初始速度为10 m/s,湍流度为0.7%,出口边界为大气压0.1 MPa。基于以上迭代初始条件,计算四种不同开度时的截止阀流场。

4 流阻特性

流阻特性是阀门内部流体流动特性的表征,是阀门的重要性能参数之一。不同开度时截止阀的流阻因数曲线如图3所示。由图3可以看出,在0～40%开度时,开度越小,流阻越大。较小开度时的较大压降使局部积累的压能过大,存在漩涡和二次回流现象,对管道调节和使用性能存在不利影响。开度大于40%后,随着开度增大,流通量增大,流阻减小。40%开度与80%开度相比,流阻因数高30%。随着开度达到100%,流阻因数逐渐趋于稳定,即截止阀内流体达到稳定流动状态。

5 速度

截止阀内部流动特性是用户选择阀门的重要决定因素之一,不同开度时截止阀内部速度云图如图4所示。由图4可知,开度较小时,流体由截止阀阀芯出口流出,出口处和管道连接处出现一个高流速区域,存在湍流和回流现象,这一高速流场导致阀芯进口侧受到冲击。随着开度增大,截止阀阀芯出口处高流速区域趋于稳定,射流现象及能量损失相应减弱,有助于减小过高流速对阀芯附近的冲击。在截止阀开启过程中,流速变化在出口侧最为明显。在截止阀关闭过程中,流速变化在进口侧最为明显。不同开度时,阀芯方向不同,引起流体流场挤压效应,由此导致截止阀开启和关闭过程中流速变化情况不相同。

6 压力

不同开度时截止阀内部压力云图如图5所示。由图5可知,开度较小时,截止阀阀芯底部为高压区,阀芯底部附近存在不同层流状态。随着开度增大,截止阀阀芯底部附近出口侧出现小面积低压区,并且有向管道出口侧移动的趋势。另一方面,随着开度增大,截止阀阀芯及附近受力减小,压力分布更为均匀。开度达到最大后,截止阀阀芯受力逐渐稳定并维持常数。截止阀过流面积随着开度的增大而增大,可以有效保护阀芯,提高截止阀性能,延长使用寿命。

7 结束语

笔者对截止阀内部瞬态流动特性进行研究,通过对比分析四种不同开度,确认截止阀流阻因数随开度变化存在显著差异。截止阀阀芯在截止阀开启和关闭过程中受到的流体流场挤压效应是截止阀性能受到影响的主要原因。

开度较小时,截止阀阀芯底部受阻较大,局部积累的压能较大,存在明显漩涡﹑二次回流等现象,会降低管道调节精度,对截止阀使用性能构成影响。在截止阀开启过程中,流速变化在出口侧最为明显,阀芯出口处附近出现不同程度的低压区,流速逐渐趋于稳定,射流与能量损失减小,流体流场有向出口侧移动的趋势。在截止阀关闭过程中,流速变化在进口侧最为明显,流阻因数变化剧烈,存在较大变化梯度,这与实际情况是相符的。