基于CFD技术的截止阀启闭时流场动态模拟_巴鹏

2010年 7月 第 35卷 第 7期 润滑与密封 L U B R I C A T I O NE N G I N E E R I N G J u l y2010 V o l . 35 N o . 7 D OI :10. 3969/j . i s s n . 0254-0150. 2010. 07. 021 收稿日期:2009 -12-30 作者简介:巴鹏 ( 1963 ) ,男,硕士,教授,硕士研究生导 师, 主要研究方向为往复式压缩机动力系统研究和结构设计、 设备润滑系统分析研究和新型油水分离设备的研制等.E - m a i l : b p b p p p p 163. c o m . 基于 C F D 技术的截止阀启闭时流场动态模拟 巴 鹏 邹长星 张秀绗 ( 沈阳理工大学机械工程学院 辽宁沈阳 210802) 摘要:针对 X Y Z-100型稀油站所使用的 J 41H截止阀工作状态下流场特点, 采用计算流体动力学 ( C F D )的方法 对截止阀的流动情况进行动态数值计算, 模拟出截止阀阀盘开启和闭合过程中阀体内部的速度、 压力分布和压头损失。 结果表明,C F D模拟阀体压头损失值和利用理论计算的阀体压头损失值吻合较好, 通过 C F D技术在模拟截止阀启闭过 程中动态流动状况的应用, 能够确定流体通过阀道时所产生的漩涡、 水锤和死水区等水流状况, 为阀道结构优化提供理 论依据。 关键词:稀油站;截止阀;计算流体动力学;数值模拟 中图分类号:T H117. 2 文献标识码:A 文章编号:0254-0150 ( 2010)7-080-6 D y n a mi c S i mu l a t i o no f F l o wF i e l dWh e nS t o p - v a l v e O p e n i n go r C l o s i n gB a s e do nC F D B aP e n g Z o uC h a n g x in g Z h a n gX iu h a n g ( C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g , U n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yS h e n y a n g , S h e n y a n gL i a o n i n g210802, C h i n a ) A b s t r a c t :C o n s i d e r r i n g f l o wf i e l df e a t u r e s o f J 41Hs t o pv a l v e o f X Y Z -100 l u b r i c a n t m a c h i n e i nt h ew o r k i n g s t a t e , t h e f l o w s i t u a t i o no f s t o pv a l v e w a s s i m u l a t e du s i n g C F Dm e t h o d . T h e p a r a m e t e r s o f v e l o c i t y , p r e s s u r e a n dp r e s s u r eh e a d - l o s s w a s g i v - e nw h e ns t o pv a l v eo p e n i n ga n dc l o s i n g . T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep r e s s u r eh e a d - l o s sv a l u e so f C F Ds i m u l a t i o ni si ng o o d a g r e e m e n t w i t ht h o s eo f t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s , f l o wp h e n o m e n o ns u c ha s w h i r l p o o l , w a t e r h a m m e r a n ds t a g n a n t w a t e r z o n e s c a nb eo b s e r v e df r o mt h eC F Da n a l y s i s r e s u l t s , w h i c hp r o v i d e sa t h e o r e t i c a l b a s i s f o r v a l v e s s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n . K e y wo r d s :l u b r i c a n t m a c h i n e ;s t o pv a l v e ;c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 阀门在现代工业的各个部门中有着广泛的应用 , 是工业系统中不可缺少的主要设备之一 。截止阀是 X Y Z-100型稀油站管路系统中的重要液压元件 , 一 个 X Y Z- 100型稀油站有多达 18个截止阀 。随着科 学技术的高速发展 , 截止阀作为通用机械产品已面临 各种挑战 , 国内 20世纪 80年代的截止阀产品结构已 不能满足现代工业日新月异变化的要求 , 国外已出现 了许多结构先进 、 新颖的产品 , 国内市场对截止阀的 结构特点也提出了许多新的要求 。为了适应高参数 、 高性能的工业输送系统的要求 , 开发和研制截止阀新 产品和有特色的截止阀新结构势在必行 。 X Y Z-100 型稀油站管路系统使用工作介质是 N 150机械油 , 当 运动黏 度为 1. 4 10 -2 m m 2 /s 的 N 150流经截止阀时 , 会产生漩涡 、 气穴 、 水锤和死 水区等水流现象 , 这些现象严重影响和危害管道的工 况 , 产生振动 、 噪声和水头损失 。目前对阀门流动特 性的研究尚未引起足够的重视 , 基本上还是依据传统 设计方法和经验设计产品 , 不注重对阀道中的压头损 失的研究 。 计算流体动力学 ( C o m p u t a t i o n a l F l u i dD y n a m i c s s , C F D )技术 , 可通过计算机数值计算和图像显示 , 对 包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统进行 分析 。本文作者采用 C F D 技术模拟截止阀阀道里阀 盘启闭过程中液流状态 , 得出阀体内压力图像分布云 图 、 速度图像分布云图以及能量损失数值 , 为降低水 头损失设计和阀道结构优化提供理论依据 。 1 结构模型 1. 1 物理模型 图 1所示为在 X Y Z- 100型稀油站中使用的 J 41H 型截止阀的剖面图 。其结构特点为手轮驱动 、 法兰连 接 、 锲式明杆单闸板结构 ;阀体的通径为 25 m m , 采 用不锈钢材料制成 , 结构尺寸如表 1。 图 1 J 41H型截止阀剖面图 F i g1 T h ep r o f i l eo f J 41- t y p es t o p - v a l v e 表 1 J 41H 截止阀参数 T a b l e 1 T h ep a r a m e t e r s o f J 41- t y p es t o p - v a l v e 压力 /M P a通径 /m m 试验压力/MP a 壳体密封 1. 6252. 41. 76 尺寸 /m m LD D 1 D 2 D s b -fH 质量/k g 16011585656616 -22757. 4 C F D 分析模型采用二维模拟 , 二维模拟的优点 是能从分析图像上清晰看到阀体中流体的速度 、 压力 分布和各种液流现象 。在 C A D 中绘制 J 41H截止阀的 二维模型图 , 利用 C A D 与 g a m b i t 接口导入 C F D图像 和网格划处理工具 -g a m b i t 软件进行处理 。在 C F D 中处理的模型区域是阀体中流体实际流动区域 , 据此 在 C A D 中按照表 1的尺寸参数绘制的截止阀二维模 型 ( 截止阀阀盘开启状态 )如图 2所示 。 图 2 C F D分析的截止阀二维模型 F i g2 T h et w o - d i m e n t i o n a l s t o pv a l v e m o d e l i nC F Da n a l y s i s 1. 2 数学模型 液压阀阀道内流动属于湍流 , 求解器参数 :隐式 ( I m p l i c i t ) 、 二维( 2D ) 、 非稳态 ( U n s t e a d y ) 、 k - e p - s i l o n 湍流模型 , 满足 N a v i e r -S t o k e s 方程 ( 简称 N-S 方程 ) 。该方程在 1845年由 S t o k e s 独立提出 , 黏性系 数为一常数的形式 , 即 : d u d t = u t +u u x +v u y +w u z =f x- p x d v d t = v t +u v x +v v y +w v z =f y- p y d w d t = w t +u w x +v w y +w w z =f z- p z ( 1) 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此方程的研究 。此外 , 由于要模拟液流流经截止阀时阀盘的开启与闭合状 态 , 还要用到动网格模型 ( D y n a m i cMe s h ) , 动网格 模型可以用来模拟由于边界运动引起流域形状随时间 变化的流动情况 。其方程可由下式表示 : d d t V d V+ V ( u-u s) d A= V d A+ V S d V ( 2) 式中 : 是某通量 ;V 是某控制体; 是液体密度 ;u 是液体速度矢量 ;u s是动网格的网格变形量 ;是扩 散系数 ;S 是通量的原项; V 代表控制体 V 的边界 。 2 模拟分析 2. 1 边界条件 计算流体动力学 ( C F D )分析中 , 边界条件的正 确设置是关键的一步 。所谓边界条件就是流体力学方 程组在求解域的边界上 , 流体物理量应满足的条件 。 由于各种具体问题不同 , 边界条件确定千差万别 , 一 般要保持在物理上是正确的 , 在数学上不多不少 , 刚 好能用来确定积分微分方程中的积分常数 , 而不是矛 盾的或有随意性 。 图 3 截止阀网格 F i g3 T h ee l e m e n t o f s t o p - v a l v e 计算流体动力学 ( C F D )分析软件 F l u e n t 提供了 10种类型的流动进 、 出口边界条件 。采用 F l u e n t 软 件的 G a m b i t 软件块结构化网格对截止阀模型进行网 格划分 , 运用动网格 ( D y n a m i c Me s h )分析对 G a m b i t 中模型网格划分有特殊要求 , 因此截止阀采用了非结 构网格划分方法 , 划分为 4 772个节点( N o d e s ) 、 812010年第 7期巴 鹏等:基于 C F D技术的截止阀启闭时流场动态模拟 9 082个单元 ( E l e m e n t s ) 。划分后的截止阀网格形状 如图 3所示 。 边界条件的设置为 :参照图 2, 油液进口处 :速 度入 口( V e l o c i t y - i n l e t ) ;油 液 出口 处 :压 力 出 口 ( P r e s s u r e - o u t l e t ) ;流体区域 :I n t e r i o r 边界 ;其余边 和阀座 :固体壁面边界条件 ( Wa l l ) 。 2. 2 模拟计算 2. 2. 1 求解器设置 对流动问题的计算 ,F l u e n t 提供了耦合求解和非 耦合求解 2种形式的计算方法 , 二者各有特点 , 二维 截止阀模拟采用 F l u e n t 默认设置即非耦合求解 。该求 解能够求解能量和动量方程 , 且能很快得到收敛 , 但 是要求计算机具有很大的内存 。由于需要查看截止阀 工作时阀盘启闭过程中阀道内压力 、 速度分布和各种 水流现象随时间的变化 , 因此选择非稳态 ( U n s t e a d y ) 时间求解 。综上 , 求解器选择非耦合器和非稳态时间 求解器 。 2. 2. 2 边界条件设置 X Y Z-100型稀油站系统油路参数为 :压力 0. 5 MP a , 油泵流量 100 L /m i n , 截止阀通径 25 m m。依 据管道中流速 、 管径与流量之间的关系为 : v =4Q d 210 6 ( 3) 式中 :v 为管道内平均液流速度( m/s ) ;Q 为液流流 量 ( m 3 /s ) ;d 为管道内径 ( m m ) 。 将已知参数代入式 ( 3) , 得出管道平均流速为 3. 4 m/s 。通过 F l u e n t 里菜单 D e f i n e B o u n d a r y C o n d i - t i o n s , 并依据本文 2. 1节中的边界条件设置截止阀各 处的 边界 条 件 。进 口 速度 :3. 4 m/s ;出 口压 力 : 0. 5 MP a ;流体区域:N 150机械油 ;截止阀和其余壁 面 :无滑移边界 。 2. 2. 3 动网格设置 模拟二维截止阀阀盘启闭过程中液流状态 , 属于 流域边界运动引起流域形状随时间变化的流动情况 , 必须采用动网格模型 。通过 F l u e n t 菜单设置动网格参 数和区域 , 设置如下 :D e f i n eD y n a m i cMe s hP a - r a m e t e r s , 参数设置 如下 , 选 用动网格的更新 方法 ( Me s hMe t h o d s )为 S m o o t h i n g+R e m e s h i n g 。其中 S m o o t h i n g 设置 :弹簧倔强系数 ( S p r i n gC o n s t a n t F a c - t o r ) :0. 08;边界节点松弛 ( B o u n d a r yN o d eR e l a x a - t i o n ) : 0. 5;收 敛 判 据(C o n v e r g e n c eT o l e r a n c e ) : 0. 001;迭 代 次 数(N u m b e ro fI t e r a t i o n s ) :50。 R e m e s h i n g 设置 :为了得到较好的网格更新 , 本例在 使用局部网格重新划分方法时 , 使用尺寸函数 , 也就 是 R e m e s h i n g+Mu s tI m p r o v eS k e w n e s s +S i z eF u n c t i o n 的策略 。将 M i n i m u m L e n g t hS c a l e 及 M a x i m u m L e n g t h S c a l e 均设置为 0, 为了使所有的区域都被标记重新划 分 ;M a x i m u mC e l lS k e w n e s s( 最大单元畸变 ) , 参考 Me s hS c a l e I n f o 中的参考值 0. 51, 将其设定为 0. 4, 以保证更新后的单元质量 。 2. 2. 4 动网格驱动 二维截止阀阀盘启闭过程的动网格模拟 , 采用 U D F( U s e r D e f i n eF u n c t i o n )函数控制动边界的运动 , 其函数体为 : # i n c l u d e # i n c l u d eu d f .h ( v a l v e ,d t , t i m e , d t i m e ) c g v e l 1=-0. 1; 通过这个函数可以定义阀盘的运动规律 , 定义运 动规律时 , 要通过 F l u e n t 提供的宏 D E F I N E C G MO - T I O N 才能使得 F l u e n t 接收到设定的运动规律 。这个 宏的参数 c g v e l 指平均速度 , 函数体第五行 c g v e l 1 就是 c g v e l 的 y 方向的速度分量 。由此可知 , 程序模拟阀门以 0. 1 m/s 的速度沿竖直方向关闭或者 开启 , 改变 c g v e l 1 后边的速度 , 可以加快或者 减慢阀门的开启或者闭合 。 3 计算结果及分析 3. 1 截止阀内部速度压力分布云图 考虑模型中的截止阀阀盘在垂直方向的行程约是 19. 207 m m , 并假设阀盘以 100 m m/s 的速度开启或 者关闭 , 则关闭或者开启阀盘所需要的时间 t =s /v = 19. 207/100 = 0. 192 s 。经过反复尝试发现, 动网格分 析中 , 大时间步往往导致单元变形或者单元负体积 ( N e g a t i v eC e l l V o l u m e ) , 而适当小的时间步有利于结 果的收敛 , 因此设置时间步长 ( T i m eS t e pS i z e )为 0. 001 s , 并依次推出时间步数( N u m b e r o f T i m e )为 200 ( 因为时间步数等于时间除以时间步长 )进行计 算模拟 。 图 4给出了 F l u e n t 计算出来的阀盘处在不同时刻 截止阀内的速度梯度对比 。从图 4 ( a )可以看到整 个流场区域内质点的速度 。最大速度出现在图中 A 区域附近 , 峰值为 9. 96 m/s , 由于管壁与其接触的 流质存在黏性力的相互作用 , 而这种作用必然会阻止 流质的相对运动 , 导致管壁附近流质流速较低 , 这一 结论可以从图 4 ( a ) ,( b ) ,( c )中看出 。阀盘闭合 前 , 阀盘进口的流质速度从阀盘中心点向四周管壁处 递减 , 大体成二次函数分布 , 管壁处出现速度最小值 0。可以从图 5中的 “闭合前 ” 曲线看出该分布状态 。 82润滑与密封第 35卷 动网格模型模拟截止阀阀盘自上而下运动阀道内 的流质状态 , 取时间步等于 100步时的状态量进行观 察 , 如图 4 ( b )所示 , 阀盘运动到大概中间位置, 流 体经过阀盘两侧 ( 见图中 B 、 C 两处 )流向阀盘出口, 速度在 C 区域出现峰值 10. 1 m/s , 流场里较大的速度 必然带来较大的液压冲击, 直接导致系统动压迅速升 高 , 如图 5 ( b )的 D 区域出现了动压峰值 557 k P a , 动 压与流体速度和流体密度相关 , 三者关系式为: p d= v 2 2 ( 4) 式中 :p d为动压力 ( P a ) ; 为流体密度 ( k g /m 3 ) ; v 为流质速度 ( m/s ) 。 图 6 阀盘处在不同时刻总压力云图对比 ( P a ) F i g6 T h e c o m p a r i s o no f t o t a l - p r e s s u r ec l o u do f v a l v e p l a t ea t d i f f e r e n t t i m e s( P a )( a )b e f o r ev a l v e p l a t eo p e n i n g ;( b )w h e nv a l v ep l a t eo p e n i n g ; ( c )w h e nv a l v ep l a t e 图 6给出了阀盘处在不同时刻总压力云图对比 ,5 ( a )可以看出 , 阀盘闭合过程中, 阀盘上游压力不断 增大 。当阀盘运动到截止阀的低端 ( 位置如图4 ( c ) 所 示 ) , 即阀盘即将闭合时 , 阀盘与阀座间只有很小的缝 隙 , 而液流必须从此缝隙里流出, 因此必将发生剧烈 832010年第 7期巴 鹏等:基于 C F D技术的截止阀启闭时流场动态模拟 的射流现象 , 速度高达 40. 7 m/s , 如图 4 ( c )中的 A 、 B 区域。射流一般是无固壁约束的自由湍流 , 这种湍 性射流通过边界上活跃的湍流混合将周围流体卷吸进 来而不断扩大 , 并流向下游 , 其轨迹方程为: z = v z 0 v x 0 x - g 2v 2 x 0 x 2 ( 5) 式中 :( x ,y )是运动流质的坐标 ;( v x 0, v z 0)是流 质喷口处水平方向和垂直方向的速度 ;g 是重力加 速度 ( m/s ) 。 事实上, 射流现象在阀盘启动中 ( 见图 4 ( b ) ) 已经发生了 , 而阀盘临近关闭时的射流强度尤其显著, 且射流速度远大于阀盘启闭中的速度峰值 。发生射流 时 , 阀盘上游阀道内压力迅速增大, 图 7示出了阀盘 临近闭合时进口总压力沿径向分布, 大部分区域总压 力达到 1. 74 MP a , 是初态 0. 5 M P a 的 3倍多 , 可以看 出系统总压的升高 。由此可见 , 阀盘闭合瞬间管道内 会出现压力升高, 产生噪声 、 震动 , 甚至空穴等现象 。 图 7 阀盘关闭时刻截止阀入口压强 F i g7 T h e i n l e t p r e s s u r eo f s t o pv a l v e w h e nv a l v e p l a t e c l o s i n g 图 8是阀盘闭合中的流体迹线( P a t hl i n e )图 , 迹线是单个质点在连续时间过程内的流动轨迹线 , 是 拉格朗日法描述流动的一种方法 , 能从迹线中看出各 种液流现象 , 如图所示 ,A 、 B、 D区域均出现了液 流漩涡 ,C 为死水区 。 图 8 阀道内的流体迹线 F i g8 T h ei n t e r i o r f l u i dp a t hl i n eo f s t o p - v a l v e 3. 2 压力损失模拟及验算 3. 2. 1 计算机模拟 选取阀盘闭合前求解阀盘里的能量损失 , 通过设 置出口表压为 0, 则进口静压即为阀道内的能量损 失 , 该能量损失在管道流场中以压差的形式出现 。求 解结束后 , 在进口处选取 6个点的静压 ,6点静压值 见表 2。 表 2 截止阀进口 6点静压值 T a b l e2 T h e6- p o i n t s t a t i c p r e s s u r e o f s t o p - v a l v e i n l e t 径向距离 /m静压值/P a径向距离/m静压值/P a 0. 021 498 738 198. 10. 006 498 7134 904. 3 0. 016 498 735 873. 50. 001 498 7234 983. 3 0. 011 498 735 232. 2-0. 003 501 2836 876. 9 6点静压取平均值 , 得出进口平均静压 , p s=1 n n i = 1 p i ( 6) 式中 :p s为平均静压 ( P a ) , n 为数据个数 , 这里有 6 个数 据 ;p i为 截 止阀 入 口 不同 位 置 处 的 静压 值 ( P a ) 。 将表 2的数据代入式 ( 6) , 计算得出截止阀压 力损失的模拟结果为 : p s=1 6 6 i = 1 p i= 36 011 P a 3. 2. 2 结果验算 考察 F l u e n t 模拟计算的精度 , 可以依据常规设计 计算或者工程经验加以验证 。 流体经过截止阀内能量损失属于局部压力损失 , 记为 p r, 由于流速大小 、 方向发生急剧变化而导 致 。局部压力损失公式如下 : p r= v 2 2 ( 7) 式中 : 为局部压力损失因数 , 与局部装置的形状及 流态有关 , 结合该截止阀的流态和查相关图表得出盘 阀截止阀的 =1. 5; 为流体密度( 900 k g /m 3 ) ;v 为流体平均速度 ( m/s ) , 该速度必须与局部装置压 力损失因素相对应 。 图 9 盘阀处速度云图 ( m/s ) F i g9 T h ev e l o c i t y c l o u do f v a l v ep l a t e( m/s ) 84润滑与密封第 35卷 图 9列出了阀盘口的速度分布 , 采集其中几个数 据点求平均值 , 得 : v =( 5. 138 89 +6. 680 56 + 7. 158 64 + 8. 186 47 + 8. 736 11 + 7. 708 33) /6 = 7. 268 1 m/s 将各个参数代入式 ( 7) , 得 : p r= 1. 5 900 7. 27 2 2 =35 676 P a 模拟结果与经验公式之间的误差为 : p s- pr p r = 36 011 -35 676 35 676 0. 94% 可见 , 传统经验公式计算结果与 F l u e n t 模拟阀体 能量损失十分吻合 。 4 结论 ( 1) 采用 C F D 方法对 X Y Z-100型稀油站油路系 统中的截止阀二维模型内部流场特性进行数值分析 , 得出各种参数的分布云图和数据 , 并能清楚看出截止 阀内的各种水流现象 , 各种分布云图能基本反映截止 阀内真实流动情况 , 截止阀内存在漩涡 、 死水区及水 锤现象 。 ( 2)C F D 中的动网格分析技术能更好地解决阀 盘闭合或者开启过程中的液流流动情况 , 解决了稳态 分析不能求解的问题 , 连续性地模拟出阀盘处在不同 位置时的流动状态 。 ( 3) 管道能量损失模拟是 C F D的一大技术亮点 , 它能精确求解阀盘里的能量损失 , 误差控制在 5%之 内 , 为优化阀体 , 管道及各种液压元件提供理论基 础 。而优化后的各种液压元件必将降低耗材 , 减少生 产制造成本 , 尤其是元器件运行时消耗更少的能量 , 更加环保节能 。 参考文献 【 1】成大先. 机械设计手册单行本: 润滑与密封M . 北京: 化学 工业出版社, 2004. 【 2】张利平. 液压气动系统设计手册 M . 北京: 机械工业出版 社, 1997. 【 3】刘仕平. 液压与气压传动 M . 北京: 黄河水利出版社, 2003. 【 4】王瑞金. 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