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中心型蝶阀流场的数值模拟研究

发布时间:2016-10-17

双重密封自动控制阀

1 前言

蝶阀以其结构简单和适合用于大中口径管道的结构特点,得到了广泛的应用。应用传统的阀门设计方法已经很难满足蝶阀设计生产的需要,在这种情况下数值模拟方法应运而生,它能够从更深层次对蝶阀的内部流场状况进行模拟,将流体力学的相关理论真正应用到蝶阀设计过程中去,对蝶阀设计制造具有深远的意义。即是利用数值模拟软件FLUENT对典型蝶阀的内部流场进行数值模拟,从而为蝶阀改进设计提供依据。以期对蝶阀的设计制造起到一定的指导作用。

2 N-S方程

黏性流体的运动方程的Navier-Stokes方程,简称N—S方程。(1)适用于可压缩黏性流体的运动方程如式(1)。(2)理想流体的运动方程—Euler方程。若不考虑流体的黏性,则由上式可得理想流体的运动方程—Euler方程如式(2)。N—S方程比较准确地描述了实际的流动,黏性流体的流动分析均可归结为对N-S方程的研究。由于其形式甚为复杂,实际上只有极少情况下可以求出精确解,故产生了通过数值求解的研究,这也是计算流体力学进行计算的最基本的方程。可以这么说,所有的流体流动问题,都是围绕对N—S方程的求解进行的。

3 中心型蝶阀

蝶阀是用随阀杆转动的圆形板件作启闭件,往复回转90°左右来开启,关闭和调节流体通道的一种阀门。蝶阀主要用作截断阀,亦可设计成具有调节或截断兼调节的功能。目前蝶阀在低压大中口径管道上的使用越来越多。中心型蝶阀三维模型图,如图1所示。

4 中心型蝶阀流场的数值模拟

以典型中心型蝶阀DN1000为例,为保证流场的稳定性,取蝶阀及其前部管道L1=5D(D为管道直径)与其后部管道L2=10D一同作为计算域。网格划分采用了非结构混合网格技术,利用FLUNENT软件包中的前处理软件GAMBIT强大的网格划分功能,采用自适应的网格技术对流场进行调整,使其模拟出更加精细的流动。采用不可压缩流动的雷诺时均方程组,湍流模型采用标准k-ε模型;所有方程中的对流项均用二阶迎风格式离散,离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法(SIMPLE算法),所有方程中的对流项均用二阶格式离散,所有方程的熟练残差均为0.0001,全流场计算了定常流动,得到了阀内流场的详细分布情况。利用GAMBIT建立计算模型。面的网格划分情况,如图2所示。利用Gambit建立阀门不同开度情况下的计算区域,阀转过了相应的角度即可。
利用FLUENT求解器求解。为了研究阀门的流场特性,按照阀门开度为100%,60%和45%的3种典型工况,将入口速度设置为1,模拟阀门全开,较大开度,半开3种典型状态,进行比较分析。
4.1 阀门全开时流场模拟结果分析
阀门全开,流速1m/s时压力模拟结果,如图3所示。
阀门全开,流速1m/s时流场流速模拟结果,如图4所示。阀门全开,流速1m/s时流场速度矢量模拟结果,如图5所示。阀门100%开度,水流速度1m/s时流场特性分析。
(1)从压力图3可知,整个阀板和阀壁受力状况良好,受力较均匀,只是在阀板端部小区域内形成局部高压区,对阀板前部形成一定的冲击,但考虑到这种冲击发生在阀板的大尺寸方向,且上下对称,因此对蝶阀整体的影响不大。(2)从速度图4可知,流速的上下对称性较好,速度梯度比较温和,流速过度区域比较大。在阀板前端和后端形成的低速区亦在我们的意料之中,和实践的情况也较吻合,说明模拟结果可信度较高。(3)从速度矢量图5可知,整个流场基本以层流为主,整体看流场状况较为平稳。总体来看,蝶阀全开时,流速分布较均匀,整个流态相当平稳。

 

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