錐閥流場(chǎng)的數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化
運(yùn)用PHOENICS流體計(jì)算軟件,建立了錐閥的物理結(jié)構(gòu)和參數(shù)的計(jì)算幾何模型。采用了結(jié)構(gòu)化正交局部加密網(wǎng)格,應(yīng)用了k-ε湍流計(jì)算模型,對(duì)外流式錐閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬仿真,給出了優(yōu)化方案。并對(duì)其進(jìn)行了CFD驗(yàn)證,研究了流量變化、開啟度變化對(duì)錐閥流場(chǎng)特性的影響。研究結(jié)果對(duì)于分析錐閥的性能、進(jìn)行流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和實(shí)際工程應(yīng)用都具有一定的指導(dǎo)作用。
錐閥具有密封性能好、過流能力強(qiáng)、響應(yīng)快、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn),已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。流體在錐閥中的實(shí)際流動(dòng)情況是十分復(fù)雜的,同時(shí)對(duì)錐閥的各種性能都會(huì)產(chǎn)生重大影響,其中包括能量利用率、作用于閥芯上的動(dòng)力、流體的噪聲等。所以,運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)錐閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行解析和了解錐閥內(nèi)部流場(chǎng)的特性就顯得相當(dāng)重要了。
1、模型建立
1.1、幾何模型
外流式錐閥主要是由閥座和閥芯組成。尺寸為:d=10mm,d1=d2=100mm,d3=15mm,d5=30mm,d6=30mm,α=45°,k為開度(見圖1)。

圖1 外流式錐閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
對(duì)此模型的相關(guān)假設(shè)如下:(1)流體為不可壓縮流體,即

(2)假定錐閥閥芯與閥套配合精確,沒有徑向間歇,無(wú)泄漏;
(3)不考慮流體質(zhì)量力的影響;
(4)假定系統(tǒng)內(nèi)部流體無(wú)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象;
(5)壁面處無(wú)滑移,即固定壁面處速度為零;
(6)流k-ε動(dòng)狀態(tài)為湍流,采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。
1.2、數(shù)學(xué)模型基本計(jì)算公式如下:
湍流基本方程:

湍動(dòng)能k:


湍流耗散率ε:

流量系數(shù)cd:

式中:A(k)—閥口的過流面積;
Q—流量;
ρ—流體密度;
Δp—進(jìn)出口的壓力差;
k—閥口開度;
α—錐閥的半錐角;
d—閥入口處直徑。
2、計(jì)算網(wǎng)格與邊界條件
2.1、計(jì)算網(wǎng)格
在PHOENICS的VR編輯器中建立計(jì)算的模型,選擇柱坐標(biāo)系,點(diǎn)擊Menu(主菜單)中的Geome-try按鈕,在GridMeshSettings對(duì)話框中設(shè)置流場(chǎng)區(qū)域尺寸與網(wǎng)格分布,X方向設(shè)置為0.5,Y方向設(shè)置為0.035m,Z方向設(shè)置為0.2m。X方向的網(wǎng)格設(shè)置為1,Y方向的網(wǎng)格設(shè)置為80,Z方向的網(wǎng)格設(shè)置為200,網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為1600個(gè)。計(jì)算次數(shù)設(shè)置為40000次,經(jīng)過反復(fù)試算,松弛因子為0.5時(shí),收斂效果最佳(見圖2)。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意圖
2.2、邊界條件
基于流動(dòng)的復(fù)雜性,我們對(duì)模擬流場(chǎng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)置:此流場(chǎng)采用柱坐標(biāo)系,X方向表示弧度,Y方向表示錐閥的軸向,Z方向分別表示錐閥的徑向;流場(chǎng)內(nèi)的流體為牛頓流體、流態(tài)為湍流,其中流體設(shè)為1atm下0℃的水。進(jìn)、出口邊界設(shè)為速度入口和壓力出口,出口壓力設(shè)為0。
3、模擬結(jié)果和改善
3.1、不同進(jìn)口速度仿真結(jié)果
為了說明在閥口開度相同時(shí),流量變化對(duì)外流式錐閥內(nèi)部流場(chǎng)的影響。本文模擬了流量為20L/min時(shí)閥內(nèi)流場(chǎng)情況,X軸表示距入口距離用L,Y軸表示壓力的變化值,用P表示(見圖3,4)。

圖3 流量為20L/min的速度矢量圖

圖4 流量為20L/min的速度等值圖

圖5 開度為5mm速度矢量圖
3.2、不同閥口開度的模擬結(jié)果
為了了解開度對(duì)外流式錐閥內(nèi)部流場(chǎng)的影響,本文模擬了進(jìn)口速度相同即流量相40L/min時(shí),錐閥開度5mm時(shí)的閥內(nèi)流場(chǎng)情況(見圖5,圖6)。

圖6 開度為5mm速度等值圖
3.3、外流式錐閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
從理論分析可知,漩渦的存在是各種閥類能量損失和噪音主要原因之一。從分析模擬計(jì)算結(jié)果來(lái)看,在外流式錐閥流道內(nèi)形成了兩個(gè)主要的漩渦,它們對(duì)外流式錐閥的能量損失和噪音產(chǎn)生起到到很大的作用。
為了減小漩渦一,可以改變外流式錐閥的閥座結(jié)構(gòu),即改變K的大小;
為了消除漩渦二,可以改變錐閥閥芯的結(jié)構(gòu),消除漩渦的存在區(qū)域,即改變d大小。

圖7 開度、流量與流量系數(shù)的關(guān)系圖
3.4、流量系數(shù)的計(jì)算
流量系數(shù)值是指單位時(shí)間內(nèi)、在測(cè)試條件中管道保持恒定的壓力,管道介質(zhì)流經(jīng)閥門的體積流量,或是質(zhì)量流量,即閥門的最大流通能力。閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標(biāo),流量系數(shù)值大,說明閥門的流通能力大,流體流過閥門時(shí)的壓力損失小(見圖7,圖8)。

圖8 優(yōu)化前后的流量系數(shù)對(duì)比圖
如圖7所示,流量一定時(shí),隨著閥口的開度增加,流量系數(shù)減少;當(dāng)開度一定時(shí),流量越大,流量系數(shù)越大。當(dāng)開度增加到一定值時(shí),隨著開度的增加,壓力變化不再明顯,流量系數(shù)趨于平穩(wěn)。閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標(biāo),流量系數(shù)值大,閥門的流通能力大,流體流過閥門時(shí)的壓力損失小。而圖8中顯示在相同的條件下,優(yōu)化后的流量系數(shù)比優(yōu)化前的流量系數(shù)大。優(yōu)化后的錐閥的流通能力大,壓力損失小,所以錐閥的優(yōu)化方案是可行的。
4、結(jié)論
(1)利用PHOENICS軟件對(duì)外流式錐閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了開度、流量變化對(duì)錐閥流動(dòng)特性的影響?芍毫黧w在通過錐閥節(jié)流口處時(shí),流速增加,壓力減小;在閥芯和閥座的拐角處產(chǎn)生了漩渦,能量損失與漩渦的區(qū)域的強(qiáng)度、大小和過流斷面的面積有關(guān);在流量一定時(shí),閥的開度增加,漩渦強(qiáng)度加大,噪音和能量損失增加;在開度一定時(shí),流量增加,壓差加大,漩渦區(qū)域越明顯。
(2)根據(jù)對(duì)模擬結(jié)果的分析,提出了錐閥的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu),即消除錐閥閥芯結(jié)構(gòu)上的凹角、將閥座拐角處由直角轉(zhuǎn)變?yōu)榈菇牵?duì)其進(jìn)行CFD解析,驗(yàn)證了錐閥優(yōu)化方向的可行性。
(3)計(jì)算了錐閥在不同流量不同開度下的流量系數(shù),得到了流量系數(shù)和開度、流量之間的關(guān)系:在其他條件不變時(shí),流量越大流量系數(shù)越大,即閥的流通能力越大;在其他條件不變時(shí),流量系數(shù)隨著開啟度的增減而減小,當(dāng)開啟度增加到一定值時(shí),流量系數(shù)趨于平穩(wěn)。
(4)計(jì)算了錐閥優(yōu)化前后的流量系數(shù),結(jié)果表明:在相同條件下,優(yōu)化后的錐閥流量系數(shù)比優(yōu)化前的流量系數(shù)大,即優(yōu)化后的錐閥流通能力大,壓力損失小。