中心型蝶阀流场的数值模拟及分析

0 引言

现代工业要求阀门自身损耗小的情况下, 还要保证精确的流量控制。传统的设计方法以及无法在这种要求。随着数值模拟技术的不断成熟, 借鉴于计算机模拟技术, 可以设计出更有先进的阀门设计方法, 主要设计过程是将设计好的阀门, 首先进行数值模拟, 在不同的水流速度的情况下, 观察其水力学特性以及流场分布状态, 如达不到要求, 可随时进行修改。计算机模拟方法实验结果贴近实际, 模拟时间段, 摒弃了原来方法设计费时、费力的设计模式。通过计算机数值模拟的方法, 蝶阀的设计周期大大缩短了, 生产成本也会大大减少, 从根本上取代了过去那种主要依靠经验进行设计的方法, 使阀门的性能呈现出质的飞跃[1,2,3]。

1 中心型蝶阀特点

中心型蝶阀是关闭和调节流体通道的一种阀门, 主要是用圆形板件作启闭件, 90度往复回转来实现阀门的开启与关闭。蝶阀可被设计成截断或调节功能的截断阀。目前, 在低压大中口径管道方面, 蝶阀的使用率很大[1,2]。

1.1 优点

中心型蝶阀具体结构简单、重量轻、体积小、耗材少等特点;在大口径阀门中比较适合;流阻较小, 同时启闭迅速;蝶阀可设计为带悬浮固体颗粒的介质, 依据密封面的强度, 蝶阀可用作粉状和颗粒状介质;在通风除尘管路的双向启闭及调节方面有优势, 在轻工、冶金、电力、油化工系统的煤气管道及水道等方面, 应用广泛。

1.2 缺点

中心型蝶阀存在一点不足, 那就是流量调节范围不大。当开启达30%时, 可进流量95%以上;由于蝶阀密封材料的限制导致结构的不同, 在高温, 高压的管路系统中, 不适宜用此蝶阀, 在300℃以及40MPa压力下可以正常的工作[1]。

2 流场模拟实验与分析

2.1 模拟实验准备

模拟实验主要是按照阀门开度为100%, 60%, 45%和10%的4种典型工况, 模拟阀门全开, 较大开度, 半开和微开4种典型状态条件下, 进行实验研究阀门的流场特性。主要是做了入口速度为1m/s和3m/s条件下, 阀门流场特性变化的实验[3,4,5,6]。

2.2 阀门全开时流场模拟结果分析

阀门开度为100%, 即阀门全开条件下, 流速1m/s与3m/s时压力模拟结果分别如图1 (a) 和图1 (b) 所示, 流场流速模拟结果如图2 (a) 和图2 (b) 所示, 流场速度矢量模拟结果如图3 (a) 和图3 (b) 所示。

(1) 在阀门开度为100%, 速度为1m/s时, 从压力图1可以看出, 阀板和阀壁受力较均匀, 但是, 在端部小区域内, 局部受力强大较大, 给阀板前部造成了较大的挤压冲击。从挤压冲击方向和作用力点位置分析, 这种力对蝶阀整体正常运行不构成威胁。从速度图2上来看, 在阀板上下面流速对称性好, 流速变化幅度不大, 而且过度区域起到了很好的缓冲作用。从速度矢量图3来看, 以层流为主, 整个流场较为平稳, 具有良好的运行状态。

(2) 流速3m/s时, 从压力图来看, 在连续的等压区域, 压力有所缩小, 压力场的分布状况与流速1m/s时差别不大。从速度图来分析, 相比较流速1m/s时, 阀板两侧对称速度分布区有所变小, 相应低速区宽度变小, 但是低速区长度有所增加。流速的大小会对低速区的范围产生一定影响。从速度矢量图可知, 在正常状态下, 可观察到相应阀板两侧对称压力区, 其区域范围显著变小, 速度梯度以及层次相应也变小。在大流速情况下, 蝶阀阀板会显著阻隔流场分布, 阀板后部的低速区会更长, 这一特性与日常运行状态一致。

2.3 较大开度, 半开和微开3种典型状态模拟结果

依此阀门开度为100%, 即阀门全开下模拟方法和流程, 分别做了较大开度, 半开和微开工况状态下的模拟实验。

(1) 在阀门开度为60%以及水流速度1m/s情况下, 蝶阀阀板压力呈前高压、后低压特征, 并且低压区变化梯度缓和, 相比较前部的高压区, 阀门上部呈现低压, 下部呈现高压状态, 阀板受力出现了前、后、上、下不对称的受力状态, 在压力梯度缓和的情况下, 不会造成阀门的正常运转。在水流速度3m/s条件下, 阀门阀板压力较水流速度1m/s情况有所提高, 但是流场压力分布没有太大变化, 在阀门开度相对较大情况下, 阀板上流速的变化对流场压力影响作用小, 在一定的流速范围内流速呈现出稳定性, 不会影响阀门正常运转。但是, 在阀板端部的高度区和阀板后部的低速区, 流速图影响范围明显变大, 随着流速的增加, 在阀板后部较低速区, 会有形成涡流的趋势出现, 流动状态发生实质性改变。高速条件下的流场的状况会更复杂。

(2) 在阀门开度为45%以及水流速度1m/s条件下, 阀板前、后分别形成了典型的高压区、低压区, 这种较大的阀板前后压力会造成阀板整体的受力不均。在阀板过流区, 随着流速变大, 速度梯度相应也变大, 管壁受力也会变大, 在蝶阀背面低压区, 会促使上方流体向下分流, 部分下方流体向上分流, 很容易形成旋涡现象。在水流速度3m/s条件下, 受力区域大小较水流速度1m/s条件存在较大差别, 但是, 压力分布图展布基本一样, 蝶阀开度45%时, 阀板所受的压力场具有一定的稳定性。高速场与低速场形态一致条件下, 蝶阀阀板背部的涡流区明显向外扩张, 阀门四周的流程紊乱, 阀板背部的涡流区变得更多更清晰。

(3) 在阀门开度未10%, 以及水流速度分别为1m/s和3m/s条件下, 阀门开度较小, 阀板前、后部形成的高压区、低压区明显, 从实验图上可知阀板受力较大, 承受了较大冲击。水流速度在1m/s和3m/s下, 阀门开度越小, 阀板后部越容易形成涡流区, 然而流速越大, 涡流区相应也会变大, 阀板背后涡流区越容易形成, 对阀门的正常工作产生较大的影响。

从数值模拟的情况看, 在100%~45%开度时, 大口径蝶阀过流性能较好。小于45%以后, 阀板背板容易形成漩涡区。这是因为流道越窄, 截面流过的流体产生的作用力越大, 对阀壁冲击更大, 会造成阀门不能正常运转。

3 结语

借助GAMBIT建模工具进行建模, 应用非结构化网格对过流区域及边界进行网格划分, 网格中既有三角形网格, 也有四边形网格, 网格总数接近30万。从不同流速的流场的对比分析来看, 开度在60%以上时, 流速的变化不能对流场产生实质性的改变, 即处于量变的阶段, 当开度小于45%时, 流速的变化会从实质上改变流场状况, 造成不良的影响。流速的变大将使流场状况变的更加复杂, 特别是在阀门处于较小开度的情况下。小于45%以后, 阀板背板容易形成漩涡区。这是因为流道越窄, 截面流过的流体产生的作用力越大, 对阀壁冲击更大, 会造成阀门不能正常运转。随着流速的增大, 涡流区的范围也会相应变大, 流速的变化会对流场状况造成实质性的改变, 在涡流条件下, 阀板前、后面流场状况会变得更加复杂。

摘要：随着国民经济的发展, 各种复杂的工业应用环境不断出现, 体现在蝶阀方面就是对阀门的技术要求越来越高, 阀门的传统制造及设计方法已经很难满足现代工业高速发展的需要。基于此, 引进了商用CFD软件FLUENT, 在阀门开度为100%, 60%, 45%和10%的4种典型工况, 模拟阀门全开, 较大开度, 半开和微开4种典型状态下, 数值模拟中心对称蝶阀的内部流场状况, 并作了深入的分析, 研究结果表明, 在100%45%开度时, 大口径蝶阀过流性能较好。小于45%以后, 阀板背板容易形成漩涡区。这是因为流道越窄, 截面流过的流体产生的作用力越大, 对阀壁冲击更大, 会造成阀门不能正常运转。

关键词：中心对称蝶阀,阀门开度,数值模拟,对比分析