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    调节阀内部流场数值模拟

    研究的电动调节阀主要用于空调、制冷、采暖等楼宇自动控制系统中冷/热水,蒸汽的流量调节。它是一个不可缺少的控制元件,同时也是产生能耗的元件。因此,研究调节阀的水力特性,对于降低能量损失以及指导阀门设计有十分重要的意义。由于调节阀内部流动极其复杂,对于调节阀水利特性的研究主要还是以试验为主,成本高,耗时长,不利于新产品的开发。随着计算机与CFD的发展,CFD数值模拟的优越性越来越明显,它不仅能详细地显示调节阀的内部流场,而且相对于实验研究,它有其独特的优点:研究成本低,周期短;能在计算机上直观地显示结果,便于优化设计;同时,它具有很好的重复性,条件容易控制。
        利用Fluent软件对调节阀内部的三维粘性流场进行了数值模拟,并对可视化结果以及流量特性进行了分析。
        2 几何建模
        调节阀的实体模型


        需要建立内部流体区域的模型,使用CATIA软件建模,考虑到对称性结构以及计算速度,取阀门内部流道区域的一半作为计算区域。为了使流体充分流动,前后管道分别加长2倍管径和5倍管径。
        3 流场分析理论基础
        假设调节阀内部流动为三维不可压缩粘性流动,内部流体为紊流流动。用标准κ-ε紊流模型来封闭湍流时均运动控制方程。
           式中:
        ρ—流体密度;
        ui—流体沿方向的速度分量;
        p—流体微元体上的压力;
        μ—动力粘度;
        υt—湍动粘度;
        κ—湍流动能;
        ε—耗散率;
        υ—运动粘度;
        模型常数:Cε1=1.44,Cε2=1.92,σκ=1.0,σε=1.3。
        4 网格划分与边界条件
        利用Fluent前处理软件Gambit进行网格划分,在阀芯附近,速度与压强的梯度比较大,因此在此处进行网格细化,采用的是非结构化的四面体网格;而在进出口采用六面体网格。总网格数在(15~20)万之间,如图2所示。以进、出口压力作为边界条件。
        5 定常计算
        采用分离求解器(Segregated)进行求解,流体介质为水,密度为1000kg/m3,动力粘度系数为υ=0.001003Pa•s。设定边界条件为进口压力和出口压力,湍流模型采用标准κ-ε方程,模型参数设为湍流强度I和水力直径D。近壁区采用标准壁面函数法,固壁面采用无滑移边界条件。压力和速度的耦合采用SIMPLE算法,离散格式全部采用二阶迎风格式,求解过程中松弛因子为:压力项0.2,速度项0.5,紊流动能和耗散率均为0.5,监视进、出口的质量流量。
        6 计算结果及分析
        对DN40调节阀全开时进行模拟分析,迭代15000次达到收敛,模拟结果,如图3~图10所示。从残差图以及进口流量监测图,如图3、图4所示。可以看出,收敛效果很好,说明所建模型以及计算方法是合理的。
        6.1 内部流场分析
        (1)从速度图和压力图来看,如图5、图6所示。管道进、出口速度与压力分布比较均匀,表明所取得计算区域可以让水流充分流动,水流至阀芯底部时滞至,此处压力升到最高。当水流至阀芯与阀座之间时,流通面积迅速减小,此处的压力也迅速降低,而速度达到最大,流过阀芯时,压力上升而速度下降。
        (2)从压力等值线来看,如图7所示。在阀芯附近分布较密,压力降主要集中在此。
        (3)从速度矢量图可知,如图8所示。经阀芯流出的主流集中在管的顶部,流速不均匀。
        (4)从紊流动能等值线图可知(图略)。紊流动能在阀芯附近分布最密,紊流动能最大,能量损失主要集中在此。
        (5)从流线图可以清楚地看到(图略)。在上阀腔的右下侧以及下阀腔左上侧有较大范围的漩涡,并在上阀腔右下侧形成了剧
        烈紊动的分离回流区,引起能量损失。
        6.2 流量特性分析
        调节阀的流量系数定义为:温度为(278~323)K(5~40℃)的水在105Pa压强下,1h内流过调节阀的立方米数,用m3/h表示。
        即
        式中:
        KV—调节阀的流量系数;
        Q—调节阀流量,m3/h;
        △P—调节阀前后压差,KPa。
        对DN40-DN80调节阀数值模拟的结果,如表1所示。由表1可知:KV值误差并不大,表明模拟结果是可靠的。
        7 结论
        调节阀流量系数的模拟值和理论值吻合较好,表明CFD可以应用于调节阀的流场分析。并且得到了调节阀内部详细的流动情况:速度场分布、压力场分布、流线走向、漩涡及二次流等,为调节阀流道结构的优化提供了理论依据。同时,对于其它类型阀门流场的模拟有较大的参考价值。

     

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