（流体力学专业论文）一类新型调节蝶阀的数值计算与实验研究.pdf

i 于做好研究生学位论文寄送工作豹通知 学号2 0 8 0 眨 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得澈鋈盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：强迫罐字目期：如为年弓月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘茎有关像留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权一迸婆盘 翌可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 融扣 导师签名 签字日期：蛔6 年；月8 目签字目期：汐彰年3 月8 曰 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：脉i i j 匆 乙槭嘏魄：啦f 一6 斜跖二弦p 通讯地址：帼b 簿柱平殆劬导邮编：j d 0 2 够 涨江大学硕士学位论文陆冰2 0 0 6 1 1 5 摘要 本文剖瓤设计了阉类薪型调节蝶闽静产晶几储模氆，并对每一类潲节蝶阀产 鼎模蘩在不同行程下的三维湍滚流动避行了大爨的数值模拟，数德分析采用 r n g i e s 湍流模型鞠非结构佬网楱的s i m p l e 计算方法。通过阔芯不掏开度霹 兰维瀛动的数值计算，获褥了阀门诗算k ，与计舞评度0 的调节特性关系。对数 蕊结皋的分析比较j 爵傀诧选型出一类安装v 毯瓣漉擞的调节螺阉产品模謦。 论文专门设计测作了阀门调节特瞧试验装鬣，对安装v 形配流盘的掰型蝶 阕攘黧遴行了大量的实验分析与研究，褥到了阀门实验墨，与窭验开发0 的溺节 特性关系。 数值计算翻实验研究对e e 结果表明：剥用湍流三缝数值计簿援术进行阀门产 黯模戳的傀纯分辑与设计方法魑可行的、有效的；阕门调节特性戆势结袋比较吻 合较好，一类安装v 型配漉板的撕裂调节蝶阀具有等露分比调节特性，完全霹 以皮嗣剃王程实环中去。 论文还对一类安装v 型配流盘酌籀墅调节蝶阀产品进行了标准他的设计。 关键溺：流动控制蝶阀流豢特性数箍诗箕蜜验研究 浙汀大学硕土学位沦文 陆冰2 0 0 6 1 1 5 a b s t r a c t f o u rk i n d so fn e wb u t t e r f l yc o n t r o lv a l v ew e r ed e s i g n e d i n n o v a t i v e l y b o t h t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n w e r e p e r f o r m e do nt h e m t h er n g k s t u r b u l e n c em o d e la n ds i m p l es c h e m eb a s e do n u n s t r u c t u r e dg r i ds y s t e mw e r ea d o p t e di nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e l a t i o n sb e t w e e n r e l a t i v ef l o wc o e f f i c i e n t k ，。a n d r e l a t i v ev a l v eo p e n i n g0w e r eo b t a i n e db y s i m u l a t i n gt h ef l o wo fd i f f e r e n tv a l v eo p e n i n ga n g l eb ya n a l y z i n gt h ec o m p u t a t i o n a l r e s u l t s ，w eg o tt h eo p t i m a lm o d e lw i t hv - s h a p e dv a l v ep l a t e s i ne x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n ，w es p e c i a l l yd e s i g n e dat e s t - b e de q u i p p e dw i t h h i g hs e n s i t i v es a m p l e d d a t as y s t e m ，a n da l s og o tt h er e l a t i o n sb e t w e e nr e l a t i v e c o e f f i c i e n to ff l o w k 。a n d r e l a t i v ev a l v eo p e n i n g0 t h en u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：i t sf e a s i b l et od e s i g na n d o p t i m i z et h e c o n t r o lv a l v e b yt h r e e d i m e n s i o n a l c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m o r e o v er t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec o i n c i d e n tw i t he x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n t h en e wb u t t e r f l yv a l v e sw i t hv - s h a p e dv a l v ep l a t e sh a v et h ef l o w c h a r a c t e r i s t i co f e q u a lp e r c e n t a g e t h e yc a nb ea p p l i e dt oe n g i n e e r i n g l a s t l y ，s t a n d a r d i z a t i o na n ds e r i a t i o no f t h eb u t t e r f l yv a l v e sw i t hv - s h a p e dv a l v e p l a t e sw e r ep e r f o r m e d k e yw o r d s ：f l o wc o n t r o l ，b u t t e r f l yv a l v e ，f l o wc h a r a c t e r i s t i c ，n u m e r i c a l a n a l y s i s ，e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n 2 ， - 、 _ j 1 浙江大学硕士学位论文陆冰2 0 0 6 - 1 - 1 5 第一章绪论 1 1 调节阀概况 调节阎的发展自2 0 世纪初始至今已有七、八十年的历史，先后产生了十个 大类的调节阀产品，其发展历程如下： 2 0 年代：原始的稳定压力用的调节阀问世。 3 0 年代：“v ”型缺口的双座阀和单座阀调节阀产品问世，一直沿用到现在。 4 0 年代：随着阀门定位器的诞生，调节阀新产品进一步发展，出现诸如隔 膜阀、角型调节阀、普通蝶阀、普通球阀等产品。 5 0 年代：普通球阀得到较大的推广使用，三通调节阀代替两台单座二通调 节阀并投入应用。 6 0 年代：国内对上述产品进行系列化的改进设计，并形成完整的标准化和 规范化产品产品。现阶段我们还在大量使用的单座阀、双座阀角型调节阀、三 通阀、隔膜阀、普通蝶阀、普通球阀七类产品仍然是六十年代的水平和技术，而 国外开始推出了第八种结构调节阀套筒阀。 7 0 年代：第九大类结构的调节阀品种- 偏心旋转阀问世，这一时期套筒 阀在国外被广泛应用。7 0 年代末国内联合研发了套筒阀技术并有了自己的国产 套筒阀系列产品。 8 0 年代：成功引进了石化装置中的调节阀技术，使套筒阀、偏心旋转阀得 到了推广普及。尤其是套筒阀大有取代单、双座阀之势，使用越来越广。8 0 年 代术以日本c v 3 0 0 0 和精小型调节阀为代表的产品又得到迅速发展，它的突出特 点是调节阀的重量和高度下降3 0 ，流量系数提高3 0 ，但这些产品只是阀结 构的改进，不是本质创新。 9 0 年代：国内以华林公司为代表推出了第十类新结构的产品全功能超 轻型阀，它突出特点是在可靠性、功能和重量上有所突破。这是一种唯一具备全 功能的调节阀产品，在重量上比主导产品( 单座阀、双座阀、套筒阀) 轻7 0 8 0 ，比精小型调节阀还轻4 0 5 0 ；并解决了传统阀单一系列可靠性不高的 毒 ， 渐汀大学硕上学位论文陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 问题( 如密封可靠性、定位可靠性、动作可靠性) 。该产品的问世使中国的调节 阀技术和应用水平达到了九十年代未的国际先进水平 目前智能型超轻多功能调节阀必将成为下世纪的主流产品。 1 2c f d 与实验流体力学的发展 一c f d 技术的发展与应用 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的全称是计算流体动力学，其主要应用 于是对流体流动进行数值模拟和仿真计算。c f d 技术应用非常广泛，从飞机、火 箭、船舶、建筑物、汽车等的外部流场到化学反应器、发动机、锅炉等内部反应、 燃烧、传热、传质过程的仿真模拟，甚至小到喷墨打印机喷墨、人体微血管内血 液流动、微流体流动过程的仿真模拟。 以计算机技术和数值方法为手段，求解n a v i e r - - s t o k e s 方程组为特征的现代 c f d 技术始于6 0 年代仞期，经过三个历史阶段的发展，己趋于成熟、实用。如： 数值模拟轿车气动阻力系数精度己经达到9 9 以上【“。 近十年来c f d 技术发展主要表现在( 2 j ： ( 1 ) 贴体坐标网格通过代数变换或解微分方程的数值方法来构造，保证求解 域的边界与坐标曲面( 线) 相重合。虽然求解域在物理空间内呈复杂形状，但在变 换后的计算空日j 内呈规则形体( 长方体、圆柱体或其组合) 。 ( 2 ) 网格形态从规则的四边形、六面体结构化网格发展到更具有灵活性的三 角形、四面体、多边形、多面体等非结构化网格，更具有对复杂界面的普遍适用 性。 ( 3 ) 网格可以分成许多不同结构的块( b l o c k ) ，允许不同结构块之间进行数据 通讯及交换，从而可以将复杂外形进行规则块的划分以适用于复杂的几何形状。 ( 4 ) 网格单元间距的划分已实现了自适应化智能化，可以根掘问题物理量的 变化梯度优化分布网格，并可以进行局部加密细化。提高局部的分辨率和计算精 度，更好地捕捉细微流动现象及流动机理。 4 1 - 0 浙汀大学硕士学位论文 陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 ( 5 ) 在l 日j 断面( 线) 附近存在计算不稳定情形下，使用自动人工粘性技术， 有利于获得平滑、稳定的数值解。 ( 6 ) 采用多重网格加速来提高收敛的速度及稳定性。 ( 7 ) 新的c f d 商品化程序得到发展。其中包括面向对象的设计思想和各种并行 计算设计方法和商业程序，如分区并行计算、共享内存的多c p u 并行计算，采用 分布式内存的大规模并行计算、采用工作站集群方式进行的网络化大规模并行计 算等，代表了当今发展的潮流。 目前，c f d 技术在工业中的应用方式基本上分为三类： 1 用于产品原型设计 产品结构设计如牵涉到复杂流动过程，就需要对相关流动情况详细的了解。 在初始设计阶段使用c f d 技术模拟复杂过程的流动，为产品制造前就了解其性能 提供了一条高效、低成本途径。利用c a d 数据和自动划分网格技术及并行运算技 术可以用更短的时日j 来评价各种可能的设计方案。 2 用于产品参数化设计与虚拟实验 使用实物实验进行大规模的参数调试是极为昂贵的。工业界正在越来越多地 用更迅速而又廉价的计算分析来取代实验。c f d 技术是预测变几何与变工况导致 性能变化的强有力工具。 3 用于产品设计优化 在设计过程的各个阶段，使用c f d 技术对已有系统、产品、或部件中的传热 与流动问题进行数值模拟，从而提高性能与效率。 二实验流体力学方法 在流体力学的发展过程中，实验方法是最先使用的一种，在数值方法出现以 前已做出巨大贡献。在航空、航天和大型水利枢纽等复杂系统的顺利实现过程中， 离不开实验流体力学的支撑。实验力学的主要步骤是：( 1 ) 对所给定的问题选 择适当的无量纲相似参数，并确定其大小范围：( 2 ) 根据( 1 ) 准备实验条件， 其中包括模型的设计制造与设备仪器的选择使用；( 3 ) 制定实验方案并进行试验； ( 4 ) 整理分析试验结果，并与相关结果进行比较。 5 乎 ， 浙汀大学硕上学位论文陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 实验方法所获得的结果是检验理论计算、数值分析结果的唯一依据。 1 3 论文的目标、内容及意义 一论文的目标及内容 本论文的目标是针对自行设计的四类新型调节蝶阀产品模型，进行大量的数 值计算和实验研究，以获得一类全新的具有等百分比调节特性的角行程调节阀产 品，并对该新产品进行工程系列化设计。 等百分比流量特性也叫指数或对数特性，是当行程变化一个单位量时，流量 变化的百分比相同的一种特性。表示流量与阀门丌启度之问函数关系的一般方 程如l3 - 1 式： q = a e 埘 ( 1 3 - 1 ) 其中 q ：流量 0 ：阀门丌启度 a 、b ：任意常数 论文的内容具体包括： l 、自行设计四类调节蝶阀产品模型，并对它们进行三维湍流流动的数值 模拟，预测分析新产品的调节特性； 2 、对数值模拟计算结果进行分析比较和优化选型，得到一类具有等百分 比调节特性的调节蝶阀产品模型，并对产品模型进行样品制作。 3 、 设计建造专门用于调节阀特性试验的实验装置； 4 、对产品模型的样品进行实验研究，并将实验结果与数值计算结果进行 对比分析和实验产品模型的细微修正； 5 、对一类安装v 型配流盘的调节蝶阀新产品进行标准化设计，以便推 广应用。 6 j 浙汀大学硕上学位论文 陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 二论文的意义 目前大量使用的中央空调系统，其所耗能约占楼字总耗能的6 5 左右。由于 能源危机和大量燃料燃烧过程对环境的污染，在空调方面如何节约能源、减少污 染已同益引起大家的重视。空调热交换器对能量的输出控制主要通过调节阀来实 现。为了提高控制品质，降低系统能耗，必须要求能量的输出与调节阀的行程呈 线性特性。 如图1 3 1 所示，典型的空调盘管换热器的热输出特性曲线是向上弯的，利 用具有等百分比特性的电动调节阀来控制水流量，两者的综合作用是得到实际的 热输出特性与调节阀行程呈线性，以实现精确控制，减少系统能耗嗍。 义。 1 0 0 流 量 阀门歼皮 图1 3 - l 热输出特性曲线与流量特性曲线 1 0 0 因此，研究具有等百分比调节特性的新型调节阀产品具有十分重要的工程意 7 、 0 浙汀大学硕士学位论文 陆冰2 0 0 6 - 1 一】5 1 4 论文的研究方法 本论文采用了三维数值计算与实验研究相结合的方法。 数值计算采用r n gr s 三维湍流模型1 6 7 1 和非结构化网格s i m p l e 8 。1 方 法，对自行设计的四类调节蝶阀模型进行三维湍流流动的数值模拟。通过对数值 结果的整理分析和优化选型，选出一类比较理想的产品模型。 为了验证数值方法模拟得到的优化产品模型，并对产品模型进行系列化的标 准设计，论文专门设计搭建了装有高精度流量传感器和压差传感器的调节阀实验 台，得到了不同丌度下的流量压差关系，并将结果换算成标准流量特性曲线。 计算和实验对比结果表明：三维c f d 数值模拟方法优化得到调节蝶阀产品 模型的全新设计方法完全可行，且控制精度很高；本论文自行设计的类安装v 型配流盘的新型调节蝶阀产品具有等百分比的调节特性。 1 5 论文的主要创新点 本论文利用c f d 和实验流体力学相结合的方法对一类具有等百分比调节特 性的新型调节蝶阀产品进行了研究丌发和设计，论文主要有以下创新点： ( 1 ) 创新设计了四类调节蝶阀产品的几何模型； ( 2 ) 对每一类调节蝶阀产品模型在不同调节行程下的三维湍流流动进行了 大量的数值模拟和结果的优化选型： ( 3 ) 专门设计制作了调节阀试验装置，对安装v 形配流盘的新型调节蝶阀 产品模型进行了大量的实验分析与研究， ( 4 ) 通过实验与数值模拟结果的比较和产品模型的细微修币，论文还对一 类安装v 形配流盘的新型调节蝶阀产品进行了产品标准化的设计； 论文结果表明，一类安装v 形配流盘的新型调节蝶阀( 如图1 5 1 ) 具有等 百分比的调节特性该新产品结构简单、成本低廉、内部流动更有序。且对电动 执行器的关断力要求低。如图1 5 - 2 ，为该类具有等百分比调节特性的电动调节 蝶阀模型照片 浙汀大学硕上学位论文 陆冰2 0 6 6 - i 一1 5 该新产品可直接应用于各种流体智能流动与控制的工程领域。 图1 5 1 安装v 形配流盘的新型调节蝶阀的阀芯结构 图1 5 2 一类具有等百分比调节特性的电动调节蝶阀模型照片 9 浙订= 大学硕士学位论文 陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 第二章数值分析 2 1 湍流模型和s i m p l e 方法 一湍流模式选择 湍流是自然界普遍存在的一种流动现象。作为现代流体力学的一个重要分 支，湍流流动的研究对许多科学和技术领域，诸如能源、化工、环保、气象、水 利工程等都有直接或间接的指导意义0 】。湍流的研究方法也不外乎理论分析、 实验研究和数值计算这三类，它们之间相辅相成1 1 1 - 1 2 l 。 随着现代计算机技术的高度发展和各种计算方法的日臻完善，对湍流研究起 着巨大的推动作用。用数值方法研究湍流流动是目前流体力学中困难最多而研究 最活跃的专业领域之一。”从原则上讲，用数值方法研究各种复杂湍流流动并 无理论上的困难，因为一方面，描述湍流流动精确的微分方程( 组) 已经得出， 也即n a v i e r - s t o k e s 方程，从数学观点来看，湍流就是n s 方程的通解，求解湍 流问题与求解层流问题并无本质的差别1 1 3 1 ；另一方面，数值计算方法的发展， 已足以直接求解n s 方程。但是，现代计算机的储存能力和运算速度尚不是以求 解任何一个实际的湍流问题。因为湍流流动所包含的单元，比流动区域的尺度要 小得多，典型的数量级是流动区域的1 1 0 0 0 倍1 ”1 。为了用数值方法直接求解湍 流的各运动要素，数值计算的网络须小于湍流单元的尺度。只有在雷诺数 ( r e y n o l d sn u m b e r ) 比较小的时候，才有可能对湍流作精确的数值模拟：而当雷 诺数比较大时，我们也可以对大尺度湍流进行精确的数值模拟，而对小尺度运动 则采用模型描述。 在工程设计中，我们往往对瞬时流场并不感兴趣，甚至对大尺度湍流的精确 模拟也不太关心，因此在工程的实际应用中发展了各种不同的湍流模型。1 9 世 纪的后期，b o u s s i n e s q 提出用大大增加层流粘性系数( 涡旋粘性系数) 的方法来 模拟湍流流动，涡旋粘性系数的数值用实验方法确定。当然，由于湍流涡旋输运 量及其它量的机理与分子运动输运这些量的机理不同，所以即使是湍流的平均特 性，也与b o u s s i n e s q 提出的模型流动有差异。但是由于质量、动量和能量的守恒 1 0 浙江大学硕士学位论文陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 方程用选定的流场进行了标定，由方程给出的动量、热等的总体输运特性是正确 的和可实现的。也就是说，体现在涡旋粘性系数假定中牛顿型本构关系是满足热 力学原理的，保证了所得的结果在物理上是合理的。当然，方程中不可能包含与 过程有关的所有物理机理，比如在涡旋粘性系数中不可能包含浮力项的影响，因 此用它来描述浮力起主导作用的流场时，是不可能成功的岬j 。但是如果流动的 物理过程与用作标定的基准流场类似，参数值也比较接近，所得的结果也不会有 太大的误差。这类方法目i i i 有一定的应用“。 湍流的机理是很复杂的，很难把它们归纳在一个涡旋粘性系数内。在有的流 动中，湍流本身起着主导作用，又同时存在几个产生湍流的机理，如边界层剪切 湍流，及利用壁面设置小肋条来产生和增强湍流就属于这类流动。因此，对湍流 的深入研究，不断构造出更加精细的模型。在这类模型中包含的物理过程比简单 的涡旋粘性系数更多，也更合理。在这个领域比较活跃，并作出重大贡献的，在 第二次世界大战以前的有v o nk a r m a n 、p r a n d t l 和t a y l o r ，在6 0 年代中期以前的 有k o l m o g r o v 【l ”、周培源i l i l 、r o t t a 1 9 2 0 l 和d a v i d o v t 2 “2 2 1 等。在这个时期的工作， 由于缺乏大容量、高速度的计算机，进展比较缓慢，很多想法未能实现。最近一 个时期的工作是d o n a l d s o n 和r o d i ，s p a l d i n g ”1 从6 0 年代后期丌始的，对 b o u s s i n e s q 模型最早的修j 下是保留涡旋粘性系数的概念，但用计算办法给出它的 数值。根据湍流模式理论，涡旋粘性系数与湍流特征长度与特征速度的乘积成正 比。k o l m o g o r o v l ”1 提出，作为一级近似，湍流可以用局部的单一长度尺度l 和 单一速度尺度u 表征。以后l a u n d e r 和s p a l d i n g 构造出湍流动能平均值盯和湍流 动能耗散率平均值s 的方程，求解这两个方程，并利用关系式r = 矿，占= 矿1 就可以得到涡旋粘性系数的值。这个模型( 即通常所说的标准f - - 6 - 方程模型) 已在工程实际中获得了广泛的应用。在构造湍流动能和耗散率平均值的模型方程 时，其中的湍流输运、耗散率的产生和破坏过程都需要模拟。这些模型在模拟许 多简单流动时是近似满足的，但仍有许多问题。尤其是暑方程，需要进步的完 善( 事实上，s 方程的模型是最不成熟的一个模型方程) t o h i 。 t - - e 湍流二方程模型虽然在很多情况下能给出符合近似实际的结果，但其中 浙汀大学硕上学位论文陆球2 0 0 6 - 1 1 5 仍然使用了b o u s s i n e s q 的线性本构关系及杯量的粘性系数观念，当应用于浮力分 层流1 ，强旋流 1 0 , 1 9 1 等强烈各向异性的湍流流动时，会造成很大误差，甚至会 得到物理上不真实的模拟结果。在模拟带回流的剪切流动( 如壁面带障碍物的边 界层湍流) 时，得到的回流分离点长度普遍偏短1 1 4 , 2 8 1 。 为了模拟包含更多物理过程影响的湍流流动，特别是对湍流机理的深入研究 ( 诸如：混沌；分形：重整化群的方法：切变湍流的拟序结构；直接数值模拟； 大涡模拟；概率密度函数模拟【1 0 1 等等) ，人们借助于更加严密的数学推理，获得 了一些新的思想和方法。诸如y a k h o t 和o r s z a g 等4 1 提出的r n g 理论与方法 ( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u pt h e o r y ) ，由d u r b i n ”。3 1 提出的e r m 法( e l l i p t i c r e l a x a t i o nm e t h o d ) 。 最近由y a k n o t 与o r s z a g 应用重整化群的方法。将雷诺应力( r e y n o l d s s t r e s s ) 项和耗散生成项系数扩展，引入特征参数r = s ，导出了一个新的f 一占湍 流模式，简称r n gk s 模式。对于高雷诺数湍流流动，r n gk e 模式具有 与标准贸一占模式相同的形式，只是在方程中出现了一个附加的生成项。当流动 快速畸变时，这一项显著增大。r n gr s 模式与标准r 一模式的一个显著不 同点在于，前者适用于低雷诺数区域，可直接积分至壁面，而且它的模式系数均 由理论计算得到。该模式首先成功地应用于均匀剪切流动和后台阶回流( 标准数 值计算工况) 的模拟】，所得结果明显优于标准茁一占模式并更加符合实测数掘。 关于该模式的应用目前有较多文献报道f 2 8 j 4 i 由于该模式仍然从r e y n o l d s 时均 方程出发，对其中关联矩加以封闭，并较好地兼顾到了通用性和经济性，是标准 r 一占模式的进一步修证，因此适用于工程计算。 在r n gr 一占模型中，通过在大尺度运动和修币后的粘度项体现小尺度的 影响，而使这些小尺度运动有系统地从控制方程中去除】。 掣+ 掣2 外砌针q + p e ( 2 1 - - 1 ) 掣+ 掣2 爿砌讣宰g k - q , p 譬( 2 1 - - 2 ) 其中， 浙汀大学硕上学位论文陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 旷p c 。等 巳= o 0 8 4 5 ， a k = 吒= 1 3 9 吒屯一警铲 c l ，= 1 4 2 ，c 2 。= 1 6 8 玎= ( 2 毛毛y ”妾 岛= 糖+ 鼍 ( 2 1 3 ) 与标准彭一s 模型比较发现，r i n g 一占模型主要变化是： ( 1 ) 过修正湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋转流动情况； ( 2 ) 在占方程中增加了一项，从而反映了主流的时均应变率e ，这样， r n of 一占模型中产生项不仅与流动情况有关，而且在同一问题中也是空间坐标 的函数。 从而，r n gr 一占模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流 动。需要注意的是，r n oj r 一占模型仍是针对充分发展的湍流有效的，即是高r e 数的湍流计算模型。 二、湍流的数值计算方法s i m p l e 方法 如f j 文所述，数值方法模拟和研究湍流流动是目酊计算流体力学( c f d ) 中 困难最多而研究最活跃的领域之一。关于计算流体力学中一些数值方法，文 3 6 】 的序言中有较全面的介绍，其中不外乎有限元法，有限差分法，有限容积法，谱 方法和修正的有限元算法口7 j 等。 七十年代初，s v p a t a n k e r 和d b s p a l d i n 9 1 3 s 等人发展了一种直接求解n - s 方程的s i m p l e 方法( s e m i i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r e l i n k e de q u a t i o n s ) ，它是 目i j 计算流体力学和数值传热学中应用比较普遍的一种经济型工程算法。由于它 以控制容积法为基础，并采用了交错网络下的压力修正思想，从而成功地解决了 计算流体力学中棘手的压力场处理闯题。而且解方程时，采用t d m a 算法和块 浙江大学硕上学位论文陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 修正技术，大大加快了迭代计算速度i ，在合适的松弛因子下收敛速度快，计 算结果物理上比较合理，能保证精确的守恒性。 传统s i m p l e 算法计算步骤如下： ( 1 ) 假定一个速度分靠，记为o ，v 0 ，以此计算动量离散方程中的系数及 常数项： ( 2 ) 假定一个压力场p ； ( 3 ) 依次求解两个动量方程，得u ，v 。； ( 4 ) 求解压力修讵值方程，得，： ( 5 ) 根据p 改进速度值： ( 6 ) 利用改进后得速度场求解那些通过源项物性等与速度场耦合得变 量，如果并不影响流场，则应在速度场收敛后再求解； ( 7 ) 利用改进后得速度场重新计算动量离散方程的系数，并用改进后的压 力场作为下一层迭代计算的初值，重复上述步骤，直到获得收敛的解。 基于s i m p l e 相关思想发展起来的各种新型c f d 软件已经得到普及应用， 论文采用成熟的c f d 软件进行数值分析。 2 2 四类调节蝶阀模型的创新设计与几何构建 为了改善普通蝶阀的调节特性，使其具有拟等百分比调节特性，本论文创新 设计了四类调节蝶阀模型，并将对它们进行了三维湍流流动的数值模拟。四类调 节蝶阀产品模型的几何构建分别如下： 1 角行程蝶阀前安装平面配流板的产品几何模型， 其几何构建如图2 1 1 所示。在普通角行程蝶阀i j f 安装特殊设计的平面配流 板，其中阀d 挡板与蝶板的距离为1 0 0 m m 。 浙江大学硬士学位论文 陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 管路 阀前挡板 蝶板 一。耋 镬 1 0 哳吼 图2 2 - 1 角行程蝶阀前安装平面配流板的几何模型 2 角行程蝶阀前后各安装平面配流板的几何模型 其几何构建如图2 2 2 所示，在普通角行程蝶阀前后分别安装特殊设计 的平面配流板，其中模型一( 如图2 2 3 ) 前后配流板与蝶板分别相距5 5 r a m ， 模型二( 如图2 2 4 ) 前后配流板与蝶板分别相距l o o m m 。 浙汀大学硕士学位论文 陆冰2 0 0 6 - 1 一1 5 图2 2 - 2 角行程蝶阀前后各安装平面配流板的几何模型 管路 阀前挡板蝶板阀后挡板 图2 2 3 角行程蝶阀前后各安装平面配流板的几何模型一 ( 前后配流板与蝶板分别相距5 5 r a m ) 1 6 浙江大学硕士学位论文 陆冰2 0 0 6 - ! 一1 5 图2 2 4 角行程蝶阀前后各安装平面配流板的几何模型二 ( 蝶板与前后配流板分别相距l o o m m ) 3 新型直行程蝶阀的几何模型 如图2 2 - 5 为新型直行程蝶阀的三维几何模型，图2 2 6 为阀芯模型的主视 图和侧视图阀体中开有能使蝶板自由上下移动的空腔；而蝶板则为月牙型薄 板，阀体与蝶板均开有特殊设计的凹槽。 图2 2 5 新型直行程蝶阀的几何模型 1 7 浙江大学硕士学位论文 陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 图2 2 6 直行程蝶阀阀芯模型的主视图和侧视图 4 角行程蝶阀蝶板上安装v 形配流盘的几何模型 如图2 2 7 为角行程蝶阀蝶板上安装v 形配流盘的几何模型。即在普通角 行程电动调节蝶阀的蝶板上对称安装两块特殊设计v 形配流盘，配流盘上开有 特殊设计的配流孔，通过配流板和配流孔调节流量。配流盘和蝶板通过两个连 接螺栓进行连接。 图2 2 - 7 角行程蝶阀蝶板上安装v 形配流盘的几何模型 渐i i 大学硕十学位论文 陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 2 3 标准孔板三维湍流流动的数值模拟 一 标准孔板的选取 利用c f d 软件对标准孔板流动进行数值模拟，可直接分析c f d 软件进 行产品特性预测的可行性，并可以对流量系数进行数值校正。 如阔2 3 1 足山i q 家标准g b 2 6 2 4 - - 8 1 查得的标准孔板图：其中 图2 3 1 标准孔扳轮廓图 其中：d 安装节流装置的管道内径 d 节流件的开孔直径 e 孔板厚度 e 一孔板开孔圆筒形部分长度 依据国家标准g b 2 6 2 4 - - 8 1 ，确定标准7 l 板的尺寸： 选取：d = 1 0 0 r a m 根据计算雷诺数心，的值可以选取工作状态下节流件的直径比( = 吾) 8 = 0 5 1 9 塑要查兰堡主兰垡堡塞 得d = 5 0 m m ，e = e - - - - 3 m m 二数值计算 陆冰2 0 0 6 - 1 - 1 5 将上述标准孔板结构进行三维湍流流动的数值模拟。具体在计算时采用 置 艋r 一占三维湍流模型m 和非结构化网格s i m p l e 方法m 计算流动区域：标准孔板前2 d 至其后1 0 d 的流动区域。 边界条件：采用速度a 1 3 ( w - - 2 m s ) 和充分发展的出口边界条件 收敛判据；连续性方程、x 速度、y 速度、z 速度、k 及占的残差均低于0 0 0 1 。 计算结果如附图所示，图2 3 2 给出了轴向剖面二维投影的速度流线图，图 2 3 3 表示标准孔板后断面z 方向( 轴向) 速度场。 图2 3 - 2 轴截面的速度流线图 浙江大学碘士学位论文 陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 图2 3 3 标准孔板后断面的速度流线图 将三维数值计算的结果进行三维数值离散积分，即可得到标准孔板进口断 面、出口断面的平均压力( 表压) ，获得标准孔板前后断面的平均压降( ) 。 必；7 2 0 4 3 2 p a - 三实验与c f d 所得流量系数之间的修正系数c 利用c f d 软件进行数值计算所得的流量系数： = 南；瓦而2 x 4 蒜x 0 1 2 一o 觚旺2 - d 根据雷诺数如和工作状态下节流孔板的直径比卢的值，查取国家标准 g b 2 6 2 4 - - 8 1 表2 - 3 可得： 实验流量系数c 呻为0 6 2 5 0 实验与c f d 所得流量系数之间的修正系数 c = 矗= 罴一8 ( 2 2 - - 2 ) 2 1 浙江大学砍士学位论文 陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 2 4 安装单平面配流板角行程调节蝶阀模型的数值研究 对2 2 所介绍的角行程蝶阀前安装单平面配流板的几何模型( 如图2 2 - 1 ) 进行三维湍流流动的数值模拟。具体在计算时采用r n gg - 8 三维湍流模型和 非结构化网格s i m p l e 方法，对新型蝶阀的阀板在不同转角0 ( 角行程) 时的三 维湍流流动分别进行数值模拟。 计算流动区域：阀前2 d 至阀后1 0 d 的流动区域。 边界条件：采用速度入口( v = 2 m s ) 和充分发展的出口条件。 收敛判据：连续性方程、x 速度、y 速度、z 速度、k 及占的残差均低于0 0 0 1 。 计算结果如附图所示，图2 4 1 给出了阀板全开状态时轴向剖面二维投影的 速度流线图，图2 4 2 表示阀板全开状态时阀后断面x 方向( 轴向) 速度场。 图2 4 - 1 全开时轴截面的速度流线图 图2 4 - 2 全开时阀后断面速度流线图 因数值计算边界条件采用入口速度v - - - - 2 m s 所以流量 q - 3 睁= 3 6 0 0 x 下3 1 4 x 0 0 5 2 x 2 - 1 4 1 耐， c f d 计算结果如表2 4 - l 所示： 开度护 流量q ( 所3 s ) 压差a p ( p a ) 9 0 。1 4 1 31 8 2 5 1 2 5 8 0 。1 4 1 32 0 0 5 5 3 0 7 0 。1 4 1 32 4 9 1 5 0 0 6 0 。1 4 1 33 2 4 5 2 6 5 5 0 。1 4 1 34 8 4 7 8 3 9 4 0 。1 4 1 31 1 9 6 2 4 - 4 8 3 0 。1 4 1 33 5 7 7 6 8 2 0 表2 4 _ l 数值计算结果 浙江大学硬士学位论文陆冰2 0 0 6 - - ! - 1 5 流量系数( j 0 ) 的定义可参考m 删，具体表达如公式( 2 4 1 ) 。 通过公式( 2 4 - 2 ) 将流量系数 0 与开度口分别转换为相对值 相对流量系数k = 兰 相对开度口= 正0 相对行程x ；l 。 具体结果如表2 4 - 2 所示： 相对开度口 k 。相对k 。 1 0 03 3 0 71 0 0 o 8 93 1 5 s0 9 5 0 7 82 8 3 l0 。8 6 o 6 72 4 8 0o 7 5 0 5 62 0 2 90 6 1 0 4 41 2 9 2o 3 9 o 3 37 4 70 2 3 表2 4 2 相对流量系数k 。与相对行程口值 ( 2 4 2 ) c f d 计算结果通过最小二乘法自然指数曲线拟合得到相对流量系数( 相对 k 。值) 与相对开度( 0 ) 的关系曲线。拟合结果如式( 2 4 - 3 ) k 。= o 1 8 9 7 e 7 8 2 0 0( 2 4 - 3 ) 如图2 4 - 3 中所示离散点为数值计算点，曲线为拟合结果 压 q ) i f “ b h 浙江大学硕士学位论文砧冰2 0 0 6 - - 1 1 5 誊 靛 靶 相对开度口 图2 4 3 c f d 模拟的相对k 。与相对开度0 的关系曲线 2 5 安装双平面配流板角行程调节蝶阀模型的数值研究 一模型一( 前后配流板与蝶板分别相距5 5 m m ) 的数值计算 对2 2 节所介绍的角行程蝶阀前后安装双平面配流板角行程调节蝶阀模型一 ( 如图2 2 3 ) 进行三维湍流流动的数值模拟。具体在计算时采用r n g 胃一s 三 维湍流模型和非结构化网格s i m p l e 方法，对新型蝶阀的阀板在不同转角口( 角 行程) 时的三维湍流流动分别进行了大量的数值模拟。 计算流动区域：阀前2 d 至阀后1 0 d 的流动区域。 边界条件：采用速度入口( v = 2 m s ) 和充分发展的出口条件 收敛判据：连续性方程、x 速度、y 速度、z 速度、k 及占的残差均低于0 0 0 1 。 计算结果如附图所示，图2 5 1 给出了阀板全开状态时轴向剖面二维投影的 速度流线图，图2 5 - 2 表示阀板全开状态时阀后断面x 方向( 轴向) 速度场表 2 5 - 1 给出了数值计算的流量q 值，以及阀前后断面的压差值p 浙江大学硬士学位论文陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 图2 5 1 全开时轴截面的速度流线图 图2 5 - 2 全开时阀后断面速度流线图 浙江大学硬士学位论文陆冰2 0 0 6 - 1 一1 5 因数值计算边界条件采用入i = l 速度v = 2 m s ， 所以流量 q = 3 6 0 0 等v = 3 6 0 0 i 坐竽小m - ， c f d 计算结果如表2 5 1 所示： 开度曰 流量q ( 肌s ) 压差a 尸( p a ) 9 0 。 1 4 1 3 5 4 1 5 3 4 5 8 0 41 4 1 37 0 5 3 2 7 8 7 0 。1 4 1 39 0 4 6 8 4 5 6 0 41 4 1 31 0 4 4 3 9 4 0 5 0 91 4 1 31 1 2 7 1 0 o o 4 0 。1 4 1 31 7 6 4 3 2 8 0 3 0 。1 4 1 32 8 1 3 0 8 2 2 表2 5 1 数值计算结果 根据公式( 2 4 - 1 ) 计算出各开度日对应的流量系数k 。值，并根据公式( 2 4 - 2 ) 将 ，竹和开度0 各自转换成相对值具体结果如表2 5 2 所示 相对开度日 k相对k l - 0 0 1 9 2 01 0 0 0 8 91 6 8 20 8 8 o 7 81 4 8 6o 7 7 0 6 71 3 8 3o 7 2 o 5 61 3 3 io 6 9 0 4 41 0 6 4o 5 5 0 3 38 4 20 4 4 表2 5 - 2 相对流量系数k 。与相对行程护值 c f d 计算结果通过最小二乘法自然指数曲线拟合得到相对流量系数( 相对 鼠，值) 与相对开度( 0 ) 的关系曲线，拟合结果如式2 5 - 1 。 浙江大学硕士学位论文陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 以= 0 2 5 4 1 e 。4 2 7 7 0 如图2 5 3 中所示离散点为数值计算点，曲线为拟合结果。结果发现安装平 面标准圆组合孔的配流板后，阀门调节特性与指数曲线( 体现等百分比曲线) 的差距较大 图2 5 - 3 c f d 模拟的相对k 。与相对开度口的关系曲线 二模型二( 前后配流板与蝶板分别相距1 0 0 m m ) 的数值计算 对2 2 节所介绍的角行程蝶阀前后安装双平面配流板的角行程调节蝶阀模型 二( 如图2 2 4 ) 进行三维湍流流动的数值模拟具体在计算时采用胄gj r 一8 三 维湍流模型和非结构化网格s i m p l e 方法，对新型蝶阀的阀板在不同转角口( 角 行程) 时的三维湍流流动分别进行了大量的数值模拟 计算流动区域：阀前2 d 至阀后1 0 d 的流动区域。 边界条件：采用速度入口( v = 2 m s ) 和充分发展的出口条件。 浙江大学硕士学位论文陆冰2 0 0 6 - 1 - 1 5 收敛判据：连续性方程、x 速度y 速度、z 速度、k 及的残差均低于0 0 0 1 。 计算结果如附图所示，图2 5 _ 4 给出了阀板全开状态时轴向剖面二维投影的 速度流线图，图2 5 - 5 表示阀板全开状态时阀后断面x 方向( 轴向) 速度场。表 2 5 - 3 给出了数值计算的流量q 值，以及阀前后断面的压差值p 图2 5 - 4 全开时轴截面的速度流线图 图2 5 - 5 全开时阀后断面速度流线图 浙扛大学硕士学位论文陆冰2 0 0 6 - 1 1 5 因数值计算边界条件采用入口速度v =