摘 要:为了探索球阀的流阻因数和流量系数随球阀开度的变化关系,运用Fluent软件模拟了球阀的流阻因数和流量系数随球阀开度的变化关系,并运用实验验证了其正确性。结果表明:当球阀开度为25°时,球阀内部已形成了漩涡流动;当开度增大到40°时,形成稳定漩涡;当开度继续增大到80°时,漩涡基本消失。
关键字:球阀 流阻因数 流量系数 开度
随着经济的快速发展,阀门行业也得到了快速发展。球阀因流体阻力小、结构简单、密封可靠、节省能源、流向不受限制、启闭快、适用范围广等优点,近年来在工业管道中得到广泛应用。随着计算机技术和计算流体力学的发展,运用计算流体力学(CFD)软件可以直观地观察流场的流动状态、计算泄漏量和研究流量特性,可见,应用CFD方法对流场进行分析已经成为泵阀领域的研究热点。
1 球阀结构及网格划分
1.1 球阀结构
球阀主要由球体、阀座、阀杆、中体、左右体和下盖等组成,图1所示为一种固定式硬密封球阀与阀座结构示意图。球体由下盖支撑定位,阀座可以移动,在有介质压力作用时,阀座借助流体压力或弹簧力的作用压向球体,建立密封比压形成密封。
图1 球阀结构简图
1.2 网格划分
选取球阀流道为研究对象,分析阀内的压力分布和速度分布。球阀为轴对称结构,为减小计算量,建立一半流体区域,利用Pro/E建立球阀三维模型,用UG抽取流道,将物理模型导入ICEMCFD中进行网格划分。为得到质量较好的网格,对模型尺寸较小的部分进行分割,并采用混合网格,网格划分如图2所示。
图2 球阀网格划分图
2 数值模拟
2.1 边界条件设置
流体介质为25℃常温水,采用k-ε双方程湍流模型、二阶迎风格式离散。为使其更好收敛,采用SIMPLEC算法,把压力校正亚松弛因子设为1,使其有助于收敛。给定进口边界条件为VelocityInlet,速度为3m/s,流体出口相当于在大气压中流动,设出口边界条件为PressureOut,计算中忽略重力对流场的影响。
2.2 模拟结果分析
球阀的开、关过程并非简单的相反过程,刚开启时的流场比即将关闭时要复杂得多,前一过程中管道和阀体流道内存在复杂的多涡结构。所以笔者模拟了球阀的不同开度,分析其在不同开度下的压力分布和速度分布。
从图3可以看出:当球阀开度为25°时,球阀内部已形成了漩涡流动,球阀流场中流速最大值位于球体的进出口处,介质通过阀后区域时,能量损失较大。
图3 开度25°时的压力分布和速度分布图
从图4可看出:当球阀开度为40°时,球阀内部形成了稳定漩涡流动,球阀流场中流速最大值仍位于球体的进出口处,介质的冲涮作用较开度为25°时减弱。
图4 开度40°时的压力分布和速度分布图
从图5可以看出:当球阀开度为80°时,压力和速度减小,最大速度位于球阀的出口处,阀后只有一个较小的漩涡,随着开度的继续增大,漩涡逐渐消失。
图5 开度80°时的压力分布和速度分布图
3 球阀流量试验
在试验过程时,安装有被测阀、流量计、离心泵、调节阀,以及阀门前后压力变送器等。压力变送器分别安装在阀前与阀后5D和10D的位置(D为被测球阀公称直径),测试介质为水,温度为25℃。阀门试验台的装置如图6所示。
图6 阀门试验台装置图
4 流阻因数分析
在一般情况下,闭路阀(闸阀、截止阀、球阀、旋塞阀等)完全开启或者完全关闭,中间位置只能作为例外情况,不是闭路阀的主要工作状态。因此,对于阀门来说,最令人关注的是在关闭件处于开启位置时阻力的大小。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为:
ξ=2△p/(ρv2) (1)
式中:ξ为阀门的流阻因数;△p为被测阀门的压力损失,Pa;ρ为流体密度,kg/m3;v为流体在管道内的平均流速,m/s。从图7可以看出:对于球阀的流阻因数,在开度小于30°时,急速下降;开度在30~40°之间时,流阻因数下降速度有所减慢;当球阀开度超过40°之后,球阀流阻因数下降极慢,无明显变化。
5 流量系数分析
阀门的流体计算是确定与阀门的水力特性有关参数的过程。阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标,是指5~40℃之间的常温水流经阀门产生1bar(1bar=100kPa)的压力降时的体积流量,即:
(2)
式中:Kv为阀门的流量系数,m3/(h·bar-1/2);Q为阀门流量,m3/h;ρ为实验温度下的流体密度,kg/m3;ρ0为同种流体在4℃下的密度,kg/m3;△p为被测阀门的压力损失,bar。
从图8可以看出:当开度小于40°时,流量系数增大缓慢;而当开度大于40°之后,流量系数的增大速度迅速加快。从图7和图8可以看出:当开度等于40°时,都出现了流阻因数和流量系数减小或增大的拐点。在一定程度上,球阀流阻因数和流量系数的试验值和模拟值存在误差,造成这种误差的原因主要有:实验过程中仪器的精密程度,人为操作的误差,球阀制造过程中加工精度和建模时模型之间的偏差,Fluent软件模拟和实际工况间的误差等。但总体而言,这些误差在允许范围之内,因此,采用软件模拟和试验相结合的方法具有一定的可靠性,从而可以看出Fluent软件在流场分析中的方便性。
图7 流阻系数变化曲线图
图8 流量系数变化曲线图
6 结论
(1)球阀的流阻因数随球阀开度的增大而减小,流量系数随球阀开度的增大而增大。当开度增大到40°时,出现了流阻因数和流量系数变化的拐点。
(2)当球阀开度为25°时,球阀内部已形成了漩涡流动,球阀流场中流速最大值位于球体的进出口处。当开度增大到40°时,形成稳定漩涡;当开度继续增大到80°时,漩涡基本消失。
(3)笔者以标准k-ε模型为依据,采用数值模拟法研究了管道中的球阀不同开度对流态的影响。由于球阀实际结构复杂,笔者在建模时将球阀结构进行了简化,因此数值模拟与实际存在一定的差异
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