偏心半球閥流場(chǎng)的可視化仿真分析

1、偏心半球閥流場(chǎng)的可視化仿真分析 通過(guò)ICEM軟件，使用構(gòu)造網(wǎng)格與非構(gòu)造網(wǎng)格相結(jié)合的有限元法以及Fluent 軟件中基于各向同性渦粘性理論的k-雙方程模式，求解得到了不同開(kāi)度下的偏心半球閥內(nèi)部三維流場(chǎng)的流場(chǎng)圖以及通過(guò)計(jì)算描繪了相關(guān)的閥門(mén)固有流量特性等曲線，并開(kāi)展了相應(yīng)的分析。 1、概述 閥門(mén)內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，當(dāng)流體通過(guò)閥門(mén)時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓差，并成為影響管道局部水頭損失的主要因素。在閥門(mén)設(shè)計(jì)中，不僅注重構(gòu)造形態(tài)，還需要研究不同類型不同構(gòu)造閥門(mén)的內(nèi)部流場(chǎng)的特殊性與差異性。偏心半球閥具有開(kāi)關(guān)無(wú)摩擦，密封不易磨損，啟閉力矩小等優(yōu)點(diǎn)，可以減小所配執(zhí)行器的規(guī)格。配以多回轉(zhuǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)的調(diào)節(jié)和嚴(yán)密切斷。因

2、此廣泛適用于石油、化工、城市給排水等要求嚴(yán)格切斷的工況。本文通過(guò)運(yùn)用Ansys等軟件，對(duì)DN250偏心半球閥在不同開(kāi)度下的流場(chǎng)開(kāi)展了數(shù)值模擬分析。以便為閥門(mén)安全與構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。 2、計(jì)算流程 2.1、物理模型 使用SolidWorks20* 三維軟件，按照1: 1的比例分別構(gòu)建偏心半球閥的所有組成部件的物理模型，利用SolidWorks中的裝配體版塊，給部件添加幾何關(guān)系、約束，以便組成偏心半球閥真實(shí)的物理模型(圖1) 。 圖1 偏心半球閥 2.2、構(gòu)造簡(jiǎn)化及網(wǎng)格化分 在閥門(mén)前后添加進(jìn)口管道和出口管道。為了便于使用Ansys 中的Fluent 開(kāi)展分析計(jì)算，對(duì)偏心半球閥的構(gòu)造開(kāi)展優(yōu)化，并

3、適當(dāng)簡(jiǎn)化流動(dòng)區(qū)域中的圓角和倒角，以加快計(jì)算的收斂率。由于閥前閥后幾何形狀簡(jiǎn)單都為圓柱體，而閥體腔內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，且閥芯構(gòu)造復(fù)雜，所以，在使用ICEM 劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)于閥前后的兩段圓柱體流域劃分構(gòu)造網(wǎng)格，而對(duì)中間的復(fù)雜區(qū)域劃分自適應(yīng)性比較好的非構(gòu)造網(wǎng)格。因?yàn)闃?gòu)造網(wǎng)格和非構(gòu)造網(wǎng)格劃分的方法不同，需要在兩種網(wǎng)格交界處建立交界面，即interface1 和interface2(圖2) 。 圖2 開(kāi)度為50的偏心半球閥 2.3、分析方法 閥門(mén)內(nèi)部為湍流，因此設(shè)置湍流模型為具有平衡壁面函數(shù)的k - 模型，對(duì)流項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)差分方式開(kāi)展離散。內(nèi)部區(qū)域設(shè)置為fluid，介質(zhì)選擇為water -liquid。管

4、道入口面設(shè)置為速度入口(velocity -inlet) ，速度矢量，沿Y 軸正向。管道出口面設(shè)置為出流(Out flow) 邊界條件。interface1 和interface2 設(shè)置為interior，其他壁面設(shè)置為wall。求解器選擇SIMPLE 算法，默認(rèn)求解控制參數(shù)。流場(chǎng)初始化、設(shè)置殘差監(jiān)視器、設(shè)置迭代次數(shù)開(kāi)展求解計(jì)算，500 次左右計(jì)算收斂。 3、計(jì)算分析 為了更好的研究偏心半球閥的流場(chǎng)特性，計(jì)算了閥門(mén)開(kāi)啟角度從1090，即從微開(kāi)到全開(kāi)，且每隔5計(jì)算一次。共計(jì)17 個(gè)工況。 3.1、流場(chǎng)分析 在用Fluent 對(duì)閥門(mén)流域開(kāi)展計(jì)算之后，為了便于更好的比照不同開(kāi)度下的速度分布，統(tǒng)一設(shè)置

5、速度云圖的最小值與最大值的范圍為0 6m /s。這樣可以更直觀的從顏色分布就可以看出最大速度出現(xiàn)的位置以及同一位置不同開(kāi)度下的速度變化(圖3，圖4) 。 圖3 不同開(kāi)度下Z = 0 平面的速度云圖 圖4 不同開(kāi)度下Y = 0 平面的速度云圖 當(dāng)偏心半球閥開(kāi)啟角度為10( 微小開(kāi)啟) 時(shí)，在閥芯開(kāi)口邊緣處速度較大，但因?yàn)殚_(kāi)度較小，速度大的區(qū)域較小，對(duì)閥體的沖擊也較小。但是此時(shí)可以看到在閥芯反面區(qū)域，有較小強(qiáng)度的漩渦形成。 當(dāng)偏心半球閥開(kāi)啟角度為25時(shí)，在閥芯開(kāi)口邊緣處的速度依然較大，并且此時(shí)，速度大的區(qū)域增大，對(duì)閥芯和閥體的沖擊作用也較強(qiáng)。已能明顯的看出在閥芯反面形成了漩渦區(qū)域，流動(dòng)極其復(fù)雜，對(duì)

6、閥芯的影響也較大。 當(dāng)偏心半球閥開(kāi)啟角度為45或大于45時(shí)，從速度云圖中可以看出，流經(jīng)閥芯的流體速度分布較為均勻，并且速度不是很大，也沒(méi)有漩渦。 3.2、閥門(mén)損失系數(shù) 流體流過(guò)閥門(mén)時(shí)，流體的阻力損失以閥門(mén)前后的流體壓降p 表示。根據(jù)水頭損失和局部損失系數(shù)可以推出局部損失系數(shù)與壓降的關(guān)系式。 取interface1 和interface2 計(jì)算閥門(mén)的壓力差，進(jìn)而計(jì)算出閥門(mén)的局部損失系數(shù)。通過(guò)Fluent 中的面加權(quán)計(jì)算流域中重要截面的速度隨開(kāi)度的變化曲線(圖5) 。 從圖5 中可以看出，閥門(mén)進(jìn)出口的速度在開(kāi)度較小時(shí)，速度值較大，對(duì)閥芯和閥體腔的沖刷作用較強(qiáng)，易磨損閥芯和閥體腔。 圖5 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)分析 4、結(jié)語(yǔ) 模擬分析結(jié)果說(shuō)明，偏心半球閥在開(kāi)度大于45時(shí)具有較好的流通性能。另外從局部損失系數(shù)隨著開(kāi)度的變化趨勢(shì)可以看出，開(kāi)啟角度大于40之后，局部損失系數(shù) 趨于一個(gè)常數(shù)。由此可以得