大口径蝶阀流场数值模拟分析

大口径蝶阀流场数值模拟分析

采用简单的结构，适用于大口径和中口径，并已广泛使用。伴随着近代工艺加工技术和材料工业的发展,蝶阀的应用已远远超出传统范围,几乎可以全部取代过去常用的闸阀、截止阀、旋塞阀和球阀而应用于工业的各个领域。所以,开发适用于高参数工况、能够长周期运行的蝶阀产品,已经成为阀门制造业和使用部门共同关注的问题。设计大口径蝶阀不仅需要解决使用材料的材质问题,而且需要精确了解阀门的水力特性,从而为阀门改进设计提供依据。近年来,随着计算机和CFD技术的迅猛发展,发达国家已经在阀门的研究与开发中运用CFD技术进行设计方案的改进,但我国目前对蝶阀的研究主要集中在机械方面,从水力的角度对大口径蝶阀内部流场研究较少,使得设计和使用蝶阀处于半试验状态。为了更加精确的分析大口径蝶阀的性能,运用数值模拟的方法分析其内部流场是十分必要的。本文通过商用CFD软件FLUENT,对某钢铁集团新区使用的DN1400大口径蝶阀在不同工况下的流场进行了数值模拟,以流体在蝶阀阀板不同开度下的流动分析结果为依据,通过改变阀板结构,改进阀门设计,为大口径蝶阀的优化设计提供理论依据。1数据模拟1.1封闭的方程模型设蝶阀内部流动介质为水,为简化计算,选择单相流体的不可压缩三维粘性流动模型,采用不可压缩流动的雷诺方程组与k-ε湍流模型构成封闭的方程组来描述。1.2算法计算域和网格划分以DN1400蝶阀为例,为保证流场的稳定性,取蝶阀和其前部管道L1=5D(D为管道直径)及其后部管道L2=20D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,保证了网格的质量,网格总数超过了60万。如图1所示,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。1.3压力耦合方程的求解采用不可压缩流动的雷诺时均方程组和标准湍流模型计算时,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求解压力耦合方程组的半隐式方法(SIMPLE算法)。连续性方程和动量方程收敛残差标准均为10-3。规定进口边界条件为velocity-inlet,给定管道进口速度uin设为1.0m/s。出口边界条件定为自由流动。计算中忽略了重力对流场的影响,全流场计算了定常流动,得到了阀内流场的详细分布情况。2结论分析为了研究阀门的流场特性,按照阀门开度为100%、45%和10%三种典型工况,模拟阀门全开、半开和微开三种典型状态。2.1阀板内流率分布改进前蝶阀内流道的流场分布,如图2所示。蝶阀全开时,流率分布较均匀,整个流态相当平稳,但由于阀板上前后横向筋板的阻隔,造成水的流率增加,局部水力损失较大,造成一定的过阀损失。流率增加区域集中在前后横向筋板之间,对管壁形成一定的冲击。结合压力图分析,在横向筋板表面存在负压,局部的压力梯度较大,这样就造成了横向筋板处的受力情况较差。蝶阀开度为45%时,由于阀板的阻隔,流率分布呈明显不均匀性,在上下两处的过流区域,流率明显增加,并形成涡流。速度较大区域集中在上下两处阀板附近的过流区域部分,形成对管壁的较大冲击。由于蝶阀背面存在局部低压区,从蝶阀上方越过的流体部分折向下流,从蝶阀下方流过的流体部分折向上流,在阀板背面靠下部分形成旋涡。蝶阀开度为10%时,阀板前部流率几乎为0,水流几乎被堵住。上下两处的狭窄过流区域流率较快,但区域减小,且数值明显低于开度45%的情况。过流区域的涡流消失,背部的涡流区域流率增大。阀板背面上部有二次涡流形成的趋势。2.2过流孔对流场的影响为了改善蝶阀流程状况,减少过流损失,对蝶阀阀板作了局部改进。在不影响阀板刚度的前提下,在阀板前后的横向肋板上,开8个30mm×150mm的长方形过流孔,希望改善流场情况。改进后蝶阀的流场分布,如图3所示。蝶阀全开时,流率分布较均匀,呈上下对称态势。过流比较顺畅,整个流态平稳,前横向筋板流率增加情况和开过流孔前一样,但后筋板处流率无明显增加。局部水力损失明显减小。由于保证刚度的要求,过流孔开的不大,对后横向筋板处的流率造成一定影响。结合压力图分析,局部的压力梯度明显减小。流场的最高流率对比改进前数值上有所降低。蝶阀开度为45%时,改进后的蝶阀,背部涡流几乎消失,阀板下部的涡流区域明显减小,上部涡流区域向远离阀板方向偏移,流率的最大值比改进前降低很多,整个流场状况比改进前明显改善。说明过流孔还是有很好的作用的。蝶阀开度为10%时,阀板背面形成两个小涡流,流场的最高流率减小,能量也损失减小。2.3压力损失及流阻系数流体通过阀门时,其流体阻力损失以阀门前后的流体压力降表示。即有式中:Δp为被测阀门的压力损失,MPa;ζ为阀门的流阻系数;ρ为流体密度,kg/mm3;u为流体在管道内的平均流率,mm/s。因此,可以反推出流阻系数的计算公式阀门流阻系数的计算见表1(表中数据来源于数值模拟计算的结果)。3阀板开过流孔(1)从数值模拟的情况看,大口径蝶阀过流性能比较不错,尤其开度在100%-45%时,过流状态良好。在开度小于45%以后,背板产生漩涡。由于流道变窄,流体对过流处产生冲击。在阀板开过流孔之后,整体流率普遍减小,过流更顺畅,45%开度时的背板旋涡区明显减弱,过流冲击得到有效控制。(2)阀板开过流孔后,阀板流阻系数明显减小,更加有利于水流的通过。100%开度时,过流孔对流阻系数的影响最大,约减小24%,效果明显。开度为45%-10%时,过流孔对流阻系数的影响相对减弱,为7%-7.6%,这是因为过流孔对过流面积的影响减弱。因此,在不影响阀板强度的情况下,在腹板上开出过流孔,对减小流阻,提高过阀效率,还是很有好处的。(3)开过流孔后,阀板附近压力分布更均匀,局部压力梯度的强度减弱,从高压到低压的过渡区域更大,阀