基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析

2013-07-06 馮衛(wèi)民 排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)

  以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和基于各向同性渦粘性理論的k-ε方程組成蝶閥內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬的控制方程組,并根據(jù)數(shù)值計(jì)算具體要求,設(shè)定出適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件,采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合有限體積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散,應(yīng)用CFD軟件Fluent對(duì)雙偏心蝶閥單偏心蝶閥、桁架式蝶閥以及龜背式蝶閥進(jìn)行內(nèi)部三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬的對(duì)比分析。通過(guò)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的分析和對(duì)比,在獲得蝶閥宏觀性能曲線的基礎(chǔ)上,分析其內(nèi)部微觀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與宏觀外部特性之間的關(guān)系。通過(guò)分析,桁架式蝶閥全開時(shí)的過(guò)流特性最優(yōu),雙偏心蝶閥改善了閥門的動(dòng)力特性和逆向自密封性,使它具有優(yōu)良的調(diào)節(jié)特性和增加閥門的使用壽命。通過(guò)對(duì)比分析,獲得四種蝶閥的性能以及各種蝶閥的特點(diǎn),從而為蝶閥的設(shè)計(jì)和選用提供參考。

  蝶閥是流體傳輸與控制技術(shù)中重要的基礎(chǔ)元件,是流體工程系統(tǒng)中調(diào)節(jié)和控制流體,以實(shí)現(xiàn)流體生產(chǎn)功能、確保工程安全的重要設(shè)備,被廣泛應(yīng)用于航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活等各個(gè)領(lǐng)域。蝶閥主要用于截?cái)嗷蚪油ń橘|(zhì)流,在某些特殊的情況下允許用來(lái)在一定范圍內(nèi)調(diào)控介質(zhì)的流量和壓力。它的這種外在的調(diào)控能力及特性,主要還是取決于其內(nèi)部流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)及變化規(guī)律。

  傳統(tǒng)的試驗(yàn)研究方法雖然可以精確地獲得蝶閥的宏觀外部特性,但是其周期長(zhǎng)、成本高,不能獲得蝶閥內(nèi)部的微觀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。筆者應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式的蝶閥進(jìn)行數(shù)值模擬研究,在獲得各種性能曲線的基礎(chǔ)上,對(duì)比分析內(nèi)部微觀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與宏觀外部特性之間的關(guān)系,為蝶閥的設(shè)計(jì)與研究提供進(jìn)一步的參考。

1、數(shù)值模擬過(guò)程控制方程組

  閥門進(jìn)水管道、出水管道中的實(shí)際流動(dòng)是湍流。在定常條件下,采用k-ε湍流模型時(shí),描述偏心蝶閥進(jìn)出水管道內(nèi)的定常不可壓縮流動(dòng)的方程如下:連續(xù)性方程為

基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析

  動(dòng)量方程為

基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析

  紊動(dòng)能k方程為

基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析

  紊動(dòng)能耗散率ε方程為

基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析

  上面各式中xi(i=1,2,3)為笛卡兒坐標(biāo)系坐標(biāo);ui(i=1,2,3)為沿i方向的速度分量;fi為沿i方向的質(zhì)量力;p為壓力;ρ為水的密度;ν為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù);P為紊動(dòng)能生成項(xiàng),其表達(dá)式為

基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析

  式中

  νt為渦粘性系數(shù),可采用式(6)進(jìn)行計(jì)算:

基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析

  k-ε模型中經(jīng)驗(yàn)常數(shù)的取值通常情況下為Cμ=0.09,Cε1=1.44,Cε2=1.92,σk=1.0,σε=1.3。

  流場(chǎng)出口:在此只考慮在流道內(nèi)的流動(dòng),而且在流道出口處水流一般是充分發(fā)展的湍流,一般認(rèn)為此時(shí)的下游邊界的流動(dòng)狀態(tài)影響不到上游方向的流場(chǎng)。因此,在流場(chǎng)出口的邊界條件僅為沿垂直于該斷面方向的壓力梯度為零,此外,

基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析

  固壁邊界:在固壁上采用無(wú)滑移條件,有速度u=v=w=0,且因本次計(jì)算主要考慮局部損失,則固壁處的摩阻流速不計(jì)。

2、蝶閥計(jì)算區(qū)域及計(jì)算模型

  取蝶閥閥體以及閥體前后進(jìn)出水管道為計(jì)算區(qū)域,為保證此時(shí)的邊界上為完全發(fā)展的湍流運(yùn)動(dòng),桁架式蝶閥和龜背式蝶閥取閥前5×D管道及閥后20×D管道為計(jì)算區(qū)域,單偏心蝶閥和雙偏心蝶閥取閥前5×D管道及閥后10×D管道為計(jì)算區(qū)域,以保證進(jìn)出口面流動(dòng)穩(wěn)定均勻。

  為了保證計(jì)算的精度,采用分塊網(wǎng)格劃分的方法劃分網(wǎng)格,進(jìn)出水管道部分以結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,閥體部分以非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,并將蝶板周圍的網(wǎng)格局部加密;以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和基于各向同性渦粘性理論的k-ε雙方程組成蝶閥內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬的控制方程組,采用有限體積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散;采用求解壓力耦合方程的半隱式SIMPLE算法;本次計(jì)算的進(jìn)口處邊界條件為速度進(jìn)口,龜背式與桁架式蝶閥取進(jìn)口速度為v=1m/s,單偏心與雙偏心蝶閥取進(jìn)口速度v=2m/s,出口處為壓力出口。龜背式蝶閥與桁架式蝶閥以Z軸為流向,單偏心蝶閥以Y軸為流向,雙偏心蝶閥以X軸為流向。

3、數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

3.1、蝶閥全開時(shí)

  桁架式蝶閥全開時(shí),沒(méi)有出現(xiàn)旋渦流動(dòng),壓力與流速分布較均勻,蝶板附近沒(méi)有明顯的壓降,整個(gè)流態(tài)相當(dāng)平穩(wěn),這主要是因?yàn)殍旒苁皆O(shè)計(jì)大大增加了全開時(shí)的過(guò)流面積,使局部阻力降低到最小,這就決定了過(guò)閥損失系數(shù)必定較小,全開時(shí)過(guò)閥損失系數(shù)為ξ=0.102,是國(guó)內(nèi)現(xiàn)有蝶閥類產(chǎn)品中過(guò)閥損失系數(shù)最小的。

  雙偏心蝶閥在全開的情況下,閥體內(nèi)部流場(chǎng)的壓力與流速分布較均勻,蝶板附近沒(méi)有明顯的壓降,整體流態(tài)比較平穩(wěn)。由XY截面和YZ截面等勢(shì)圖可以發(fā)現(xiàn),由于偏心的作用,閥板在管道中避開了高速的主過(guò)流區(qū),使得雙偏心蝶閥的有效過(guò)流面積增大,極大地降低了過(guò)閥損失。此時(shí),通過(guò)觀察XZ截面等勢(shì)圖特別是X方向速度的等速圖,還可以看出其結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性造成了蝶板下邊緣處會(huì)出現(xiàn)較小的漩渦,而在面向來(lái)流方向的蝶板前緣和近壁面位置存在一定的壓力、速度梯度。

  單偏心蝶閥在全開時(shí)XZ截面上的閥軸后部存在明顯的漩渦運(yùn)動(dòng),渦區(qū)擾動(dòng)劇烈,消耗了大部分的機(jī)械能,產(chǎn)生的回流區(qū)阻塞了流道,減小了蝶閥的過(guò)流面積;由于蝶板前緣正面對(duì)管道內(nèi)流速最快的高速區(qū),由XY截面上的等壓力圖可以發(fā)現(xiàn),此時(shí)蝶板前緣的壓力梯度較雙偏心蝶閥明顯增多;而YZ截面上的流動(dòng)相對(duì)較為平穩(wěn),與雙偏心蝶閥相差不大。

3.2、蝶閥相對(duì)開度為0.5時(shí)

  龜背式蝶閥在關(guān)閉角度大于20°時(shí)(如圖1a所示),在蝶閥背面開始出現(xiàn)漩渦流動(dòng),當(dāng)關(guān)閉角度變?yōu)?5°時(shí)(如圖2所示),蝶閥背面的漩渦流動(dòng)更加明顯。由于蝶閥背面存在局部低壓區(qū),從蝶閥上方越過(guò)流體部分折向下流,從蝶閥下方流過(guò)的流體部分折向上流,從而形成兩個(gè)大小相等,方向相反的漩渦,并形成回流區(qū),兩個(gè)漩渦向下發(fā)展過(guò)程中相互作用,逐漸減弱,最后基本消失。對(duì)于桁架式蝶閥,當(dāng)關(guān)閉20°時(shí)(如圖1b,1c所示),流動(dòng)的不均勻性加強(qiáng),產(chǎn)生漩渦的趨勢(shì)加強(qiáng);當(dāng)?shù)y關(guān)閉40°時(shí)(如圖3a,3b,3c所示),XY截面的漩渦流動(dòng)加強(qiáng),在XZ截面和YZ截面出現(xiàn)漩渦流動(dòng)。其中,XZ截面的漩渦在管道中部,呈對(duì)稱分布,YZ截面的漩渦出現(xiàn)在較大的碟板背面中部。此時(shí),由于過(guò)流面積主要受較大的蝶板的影響,蝶閥的性能開始與龜背式蝶閥的性能相似。在雙偏心蝶閥關(guān)閉20°時(shí)(如圖1h,1i所示),流態(tài)均勻改變,隨著雙偏心蝶閥相對(duì)開度降低為0.5,即雙偏心蝶閥關(guān)閉40°時(shí)(如圖3h,3i,3j,3k所示),在XY截面與YZ截面渦流運(yùn)動(dòng)較為劇烈的區(qū)域均出現(xiàn)了漩渦流動(dòng),表現(xiàn)出了較強(qiáng)的一致性。其中,通過(guò)觀察XY截面速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn),由于蝶閥背面存在的局部低壓區(qū),造成了從蝶閥上方越過(guò)的流體部分折向下流,從蝶閥下方流過(guò)的流體部分折向上流,使XY截面蝶板的前后緣附近具有明顯的、與主流性質(zhì)不同的從屬二次流流動(dòng),基本控制了蝶閥閥體內(nèi)部的主流動(dòng)流場(chǎng),甚至影響到了雙偏心蝶閥出口處的出水流道內(nèi)部流場(chǎng)。不過(guò)由于蝶板的流線型設(shè)計(jì),漩渦運(yùn)動(dòng)仍然被控制在較小范圍內(nèi);而YZ截面上的漩渦運(yùn)動(dòng)主要為兩個(gè)強(qiáng)度相同、方向相反的對(duì)稱渦,增加了蝶板板筋及閥軸邊緣壓力梯度和速度梯度;在YZ截面的靠近閥體邊緣的部分有一個(gè)速度較小、壓力相對(duì)較高的滯水區(qū),出現(xiàn)了漩渦運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)?梢哉J(rèn)為此時(shí)的雙偏心蝶閥外部宏觀特性很大程度上由XY截面和YZ截面上的渦運(yùn)動(dòng)決定。當(dāng)單偏心蝶閥關(guān)閉20°時(shí)(如圖1d,1e,1f,1g所示),蝶板后面出現(xiàn)擾流,當(dāng)?shù)y關(guān)閉40°時(shí)(如圖3d,3e,3f,3g所示),與雙偏心蝶閥相同,在XY截面與YZ截面均出現(xiàn)了具有較強(qiáng)一致性的漩渦流動(dòng)。在此開度下,3個(gè)截面上的漩渦運(yùn)動(dòng)都已經(jīng)出現(xiàn),單偏心蝶閥與雙偏心蝶閥內(nèi)部的流場(chǎng)已經(jīng)基本相同。而此時(shí)的宏觀性能曲線在閥門關(guān)閉40°時(shí),兩種蝶閥的性能曲線也已經(jīng)基本重合,證明了流場(chǎng)內(nèi)的漩渦運(yùn)動(dòng)對(duì)于其宏觀外部性能具有決定性影響。

基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析
基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析

圖1 絕對(duì)開度70°時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果

基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析

圖2 龜背式關(guān)閉35°時(shí)各截面流速矢量圖

基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析
基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析
基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對(duì)比分析

圖3 絕對(duì)開度50°時(shí)數(shù)值模擬結(jié)果

3.3、蝶閥相對(duì)開度為0.1時(shí)

  對(duì)于龜背式蝶閥,隨著關(guān)閉角度的繼續(xù)增大,在YZ界面上的回流區(qū)也逐漸增大,控制整個(gè)流場(chǎng)的結(jié)構(gòu);當(dāng)關(guān)閉到85°時(shí),在閥瓣的上下方分別形成兩個(gè)很大的回流區(qū),回流區(qū)中心壓力最低。對(duì)于桁架式蝶閥,關(guān)閉60°時(shí),YZ截面的旋渦基本靠近較大的蝶板的下緣點(diǎn),XY截面與XZ截面有出現(xiàn)二次旋渦流動(dòng)的趨勢(shì),XZ截面的一次旋渦向下游發(fā)展,此時(shí)蝶板附近的壓力梯度變得很大;蝶閥關(guān)閉70°時(shí),XY截面和XZ截面出現(xiàn)二次旋渦流動(dòng),XZ截面的一次旋渦進(jìn)一步向下游發(fā)展,YZ截面有出現(xiàn)二次旋渦流動(dòng)的趨勢(shì),蝶板附近的壓力梯度進(jìn)一步增大;蝶閥關(guān)閉80°時(shí),3個(gè)截面的旋渦運(yùn)動(dòng)都進(jìn)一步增強(qiáng),在YZ截面上,桁架內(nèi)出現(xiàn)二次旋渦流動(dòng),而在XY截面和XZ截面,桁架內(nèi)出現(xiàn)三次旋渦流動(dòng),蝶板的附近形成很大的回流區(qū),回流區(qū)中心壓力最低。對(duì)于雙偏心蝶閥,隨著相對(duì)開度降低為0。1,蝶板附近的速度梯度、壓力梯度進(jìn)一步增大,閥門3個(gè)截面上的漩渦運(yùn)動(dòng)變得更加劇烈;此時(shí),在XY截面的過(guò)流斷面上,壓力、速度梯度集中在蝶板前后緣與密封副的交界處,在蝶板附近的渦區(qū)開始逐漸向管道的下游發(fā)展,閥體內(nèi)部的流場(chǎng)出現(xiàn)了明顯的二次漩渦流動(dòng),同時(shí)XY截面上蝶板后部出現(xiàn)了范圍較大的兩個(gè)相互分離的回流區(qū),其中,位于上部的回流區(qū)影響范圍更大,回流區(qū)中心壓力最低,成為雙偏心蝶閥閥體內(nèi)的主要擾動(dòng)。對(duì)于單偏心蝶閥,當(dāng)關(guān)閉80°時(shí),由于蝶板的對(duì)稱結(jié)構(gòu),蝶板后的回流區(qū)并沒(méi)有相互分離,而是連成了一個(gè)統(tǒng)一的大范圍回流區(qū),控制了閥體及出水管道內(nèi)的流動(dòng);在XY截面、YZ截面上,均出現(xiàn)了二次漩渦運(yùn)動(dòng),這些回流及漩渦運(yùn)動(dòng)極大的影響著單偏心蝶閥的宏觀性能。

  通過(guò)對(duì)比計(jì)算可以發(fā)現(xiàn):當(dāng)關(guān)閉角度小于30°時(shí),桁架式蝶閥有非常優(yōu)異的過(guò)流特性,過(guò)流面積大,流阻小,流態(tài)比較穩(wěn)定。隨后,桁架式蝶閥的性能開始向龜背式蝶閥的性能惡化,但始終還是優(yōu)于龜背式蝶閥的性能;當(dāng)關(guān)閉角度極大時(shí),出現(xiàn)三次旋渦流動(dòng),這在龜背式蝶閥中極少見。雙偏心蝶閥由于其本身的不對(duì)稱性,使閥門被開啟后蝶板能迅即脫離閥座、大幅度地消除了蝶板與閥座的不必要的過(guò)度擠壓、刮擦現(xiàn)象,減小了開啟阻距、降低了磨損、提高了閥座壽命;但是與單偏心蝶閥對(duì)比,其結(jié)構(gòu)的不平衡性也給閥門本身的內(nèi)部流場(chǎng)帶來(lái)了相應(yīng)的損失,當(dāng)開度較大時(shí),雙偏心蝶閥具有較好的過(guò)流特性,流態(tài)比較穩(wěn)定,壓力梯度較小,但當(dāng)開度逐漸減小時(shí),其雙偏心結(jié)構(gòu)更加容易引起XY平面上的擾動(dòng),從而引起漩渦與損失。

4、結(jié)論

  分析上述雙偏心碟閥內(nèi)部流場(chǎng)三維數(shù)值模擬和性能預(yù)測(cè)的研究結(jié)果可以得出以下結(jié)論:

  (1)在閥門全開的情況下,桁架式蝶閥的過(guò)流特性最優(yōu),對(duì)流體的擾動(dòng)也最小,水力損失系數(shù)為0.102。

  (2)軸面(XY截面)上的計(jì)算簡(jiǎn)圖和流場(chǎng)的非對(duì)稱性充分地反映了這種雙偏心碟閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。閥門全開(開度為90°)時(shí),雖然在蝶板的下邊緣處出現(xiàn)了較小的漩渦,同時(shí)碟板仍為軸面占流面積較大的龜背式,但由于蝶板避開高速主過(guò)流區(qū),閥門的有效過(guò)流面積和綜合過(guò)流能力加大了。表現(xiàn)為流量系數(shù)較大(C≈66500);水力損失系數(shù)ξ≈0.289,計(jì)算工況下的水頭損失ΔH=0.169m,流動(dòng)阻力較小。

  (3)開度大于70°時(shí),桁架式蝶閥與偏心蝶閥具有優(yōu)異的過(guò)流特性,流態(tài)比較穩(wěn)定,壓力梯度較小,此時(shí),桁架式蝶閥的過(guò)流性能最好。

  (4)對(duì)于偏心蝶閥,隨著閥門開度逐漸降低,由于鈍體繞流作用,水流繞過(guò)蝶板邊緣后發(fā)生分離,形成兩個(gè)相似的對(duì)稱分布的耗能旋渦區(qū),在往下游流動(dòng)的過(guò)程中旋渦逐漸減弱并趨向均勻。當(dāng)開度小于20°時(shí),流場(chǎng)呈現(xiàn)較大的非對(duì)稱回流區(qū),有出現(xiàn)二次旋渦流動(dòng)的趨勢(shì),回流區(qū)內(nèi)中心壓力較低,并控制了閥門整個(gè)流場(chǎng)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

  (5)對(duì)比其他蝶閥,雙偏心碟閥的固有流量特性預(yù)測(cè)曲線的線形要靠近線性關(guān)系一些,說(shuō)明該閥具有相對(duì)優(yōu)良的調(diào)節(jié)特性。

  (6)雙偏心結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)蝶閥閥板受力平衡,改善了閥門的動(dòng)力特性和逆向自密封性。啟閉動(dòng)作時(shí)蝶板能迅即脫離或貼合閥座,消除了蝶板與閥座間的擠壓刮擦現(xiàn)象,降低了磨損、提高了閥座乃至閥門的使用壽命。