0 引言
閥門是流體輸送系統中的控制部件,具有截止、調節、導流、防止逆流、穩壓、分流或溢流泄壓等功能。蝶閥作為常見的一種閥門,具有結構簡單、控制方便等特點,適合于各種口徑管道,得到了廣泛的應用。
目前國內外很多生產和銷售閥門的公司對閥門流道流動特性的研究尚未引起足夠的重視,在設計中基本上還是利用已有經驗進行常規設計,只注重結構而不大關心閥門及其流道的流動性能影響如流阻損失等,從而引起較大的能耗。基于上述實際情況,必須對管道流場進行深入研究,以作為閥門減阻、安全、降噪設計與結構優化的參考。
21世紀以來,隨著計算機技術的迅猛發展,發達國家已經在閥門的研究與開發中運用計算流體動力學技術(CFD)進行設計方案的改進。目前,我國對蝶閥的研究主要集中在產品的機械制造及結構形式等方面,從水力的角度對蝶閥內部流場研究投入較少,使得蝶閥設計和使用處于半試驗狀態。主要研究成果包括:袁新明等人通過數值模擬研究了閥門的阻力特性,通過閥門閥道的體型優化,尋求到阻力系數和過水斷面較小、合理的閥道體型;諸葛偉林等人對蝶閥的三維分離流動進行了數值模擬,得出蝶閥的流動阻力系數隨著蝶閥關閉角度的增大呈指數性增長的結論;沈新榮等利用數值模擬和實驗等手段對不同開度下電動蝶閥的三維湍流流動進行了分析;劉健等對不同開度情況下的大口徑蝶閥的三維流場結構進行了數值模擬;劉華坪等利用動網格技術動態模擬了常見的幾種閥門管路中的流動狀態;Huang等給出了蝶閥內部的不可壓縮流動的三維速度場圖和應力分布圖;Lin、黃國權、馮衛民、宋學官和韋應發等人在蝶閥研究中也做了相關的工作。
縱觀上述研究成果,大多數停留在研究閥門單一參數對流經閥門流體特征影響的情況。對于其它影響閥門性能的重要參數(如:閥板結構和管內壁粗糙度等)變化下閥門的水力特性以及如何通過調整閥門結構使流阻損失降低方面未作太多探討。
因此,分析蝶閥閥板結構、管內壁粗糙度等參數對蝶閥管道內部流場特性的影響,定性給出閥門在不同雷諾數下管路出口處流體質量流量以及閥門流道內部渦流的形成、擴展和消耗的過程,反映出閥內真實的流動情況,提高閥門的減阻性能和安全性,為降低流阻損失和進行閥門結構優化提供理論依據是十分必要和有意義的工作。
1 蝶閥控制管路內部流動分析
1.1 蝶閥的結構
蝶閥的結構主要包括閥體、閥板、閥桿和密封圈四部分。一般閥體呈圓筒形,閥板置于閥體內,通過閥桿與連接并繞閥桿旋轉。當旋轉角度為0°時,閥板和密封圈一起阻擋液體流進閥門,閥門完全關閉;當旋轉角度為90°時,閥門則完全開啟,該旋轉角度又稱為閥門的開度,可控制介質的流量。閥體通過雙頭螺栓連接在兩管道法蘭之間。
對于大口徑蝶閥,由于其在啟閉過程中,閥板受到較大的流體作用力易產生變形,極大影響工作可靠性和安全性,故往往在閥板背面(即來流后方)設置各種樣式的加強筋提高結構強度。目前,企業采用的加強筋結構主要為﹟形分布、◇形分布和//形分布三種。這三種加強筋結構都能對閥板提供足夠的支撐力,但實際應用時發現,相同結構的同款蝶閥,由于采用不同的加強筋,導致其對介質流量的影響存在差異,包括流動特性、流經閥門的噪音等。
1.2 控制方程
使用不可壓縮流動的雷諾方程組與k-ε湍流模型構成封閉的方程組來描述,如式(1)所示。
(1)
式中:ρ為密度,
為壓力,K為湍流動能,ε為湍動能耗散率,
和
為速度矢量,xi和xj為坐標參數,υ為湍流粘度,υt為湍流粘性系數,Gk和Gε為湍動能和湍動能耗散率的產生項,cμ=0.09,σε=1.3,σk=1。0,c1,c2為常數。
1.3 初始條件及取值
以蝶閥圓管內流動為研究對象,圓管直徑為300mm,計算區域長度為5000mm,入口離閥門模型距離為5倍圓管直徑,出口距離閥門模型12倍圓管直徑。利用四邊形網格對計算區域離散,對邊界和研究關注的部分進行網格局部加密,得到計算網格數273130個。入口條件為速度入口,出口條件為壓力出口,其余均為壁面。
采用基于壓力的穩態隱式求解器,標準k-ε湍流模型,近壁面條件為標準壁面方程(StandardWallFunction),梯度選項為基于格林-高斯單元體(Green-GaussCellBased),壓力-速度耦合項用SIMPLE方式求解,而對流項則用二階迎風格式離散。其它參數及取值如表1所列。
表1 仿真計算初始條件設置
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2 計算結果分析
2.1 不同類型閥板加強筋的影響
圖1所示為相同計算條件下,蝶閥閥板在100%開度下受到流體作用形成的壓力場分布情況。
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圖1 壓力分布情況
圖1中紅色區域為高壓區,藍色區域為低壓區。從結果可知,在閥板前端面,受到管道來流的影響,呈現較高壓力;而后端面則廣泛分布低壓區域。相對于加強筋﹟形分布和◇形分布閥板而言,//形分布閥板的流場壓力變化較為平緩,也就是說//形分布加強筋的閥板對流體的擾動較小,使得流經閥門的流體動力水頭損失少,單位時間流體的流量比﹟形分布和◇形分布的要多。這一點在圖2中更能清楚顯示。
圖2為三種加強筋作用下流體經過閥門形成的二維流線圖。//形分布的加強筋對流體流動特性的改變影響很小,流體經過閥板后幾乎不改變流向保持原有流動特性;而◇形分布的加強筋迫使流體沿上下兩側運動,在流經閥門時被擠壓,壓力在管道截面分布出現不均勻;尤其是﹟形分布,其中間區域形成較明顯的漩渦,加速圓管內流體在低雷諾數下從平流向湍流的轉捩,對流經閥門的流體流量的影響非常大,流動阻力顯著提升。
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圖2 流線圖(Re=100)
2.2 過流孔的影響
早期研究表明閥板上呈#形分布的加強筋其結構要比相同參數下//形和◇形分布的強度大。結合上述三種情況所形成的圓管流動特性,考慮在﹟形分布加強筋上沿流向開設圓形過流孔,在不過多削弱結構強度前提下減少﹟形分布加強筋對流體的干擾作用。如圖3所示,通過比較可清楚看到增加過流孔可極大提高流量,流線圖顯示原有漩渦消失,流動變得平緩。
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圖3 #形不帶過流孔和帶過流孔流場結構比較
2.3 管道內壁粗糙單元結構對內流場的影響
蝶閥管道中的壁面粗糙度是影響管道內液體流動特性的一個重要因素,由粗糙度引起的流體擾動對管道內的流動具有重要影響。利用梯形、矩形和三角形粗糙單元來模擬實際管道中的粗糙度分布,如圖4所示。得到粗糙管道內的流動阻力特性和流場結構,研究和分析不同雷諾數下粗糙單元引起的擾動對管道內流體流量和流動轉捩的影響。
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圖4 管道中粗糙單元結構形態
流體質量流量定義如式(2):
(2)
式中:ρ為流體密度;υ為流速;A為管路面積。
分析了四種雷諾數下(Re=300、3000、30000和300000)管道出口處流體質量流量的變化情況,其結果如圖5所示。圖5(a)~(c)分別為梯形粗糙單元、矩形粗糙單元以及三角形粗糙單元下蝶閥管道出口處流體質量流量隨雷諾數的變化曲線,橫坐標采用對數坐標系。
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圖5 不同粗糙單元引起管道出口處流體質量流量隨Re變化情況
由結果分析發現:不管何種粗糙單元,隨著雷諾數的增大,出口處流體質量流量均隨之增大(負號表示流體流向與規定的坐標系正向相反)。
給出不同粗糙單元引起圓管出口處流體質量流量隨Re變化情況比較分析,如圖6所示。圖6(a)為梯形粗糙單元與矩形粗糙單元比較情況,縱軸顯示梯形粗糙單元圓管出口處流體質量流量與矩形粗糙單元圓管出口處流體質量流量之差值;圖6(b)為三角形粗糙單元與矩形粗糙單元比較情況。總體而言,相同雷諾數下,矩形粗糙單元的出口處流體質量流量要比其他兩種情況小。該差異隨著雷諾數的增大呈現增大趨勢,但在中間出現小幅波動,如雷諾數為3000時這種差異要比雷諾數為30000時大。該差異可能是不同粗糙單元閥門管道內部的渦量場的結構不同導致的。
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圖6 不同粗糙單元引起圓管出口處流體質量流量隨Re變化情況比較分析
以梯形粗糙單元為例,給出了閥門流道內部的二維切面上渦量場隨雷諾數的變化情況,在計算范圍內,當流體雷諾數為300時,管道內就已經出現較明顯的卡門漩渦,旋向相反的渦街交替出現,強度隨著雷諾數的增加而增大;隨著雷諾數進一步增大,管內渦量強度在粗糙單元附近要比管道內其他地方大很多,且卡門漩渦結構也逐漸變得不明顯,該結果說明圓管內表面粗糙單元引起的擾動對管道內流動轉捩有非常明顯的影響。
3 結論
基于流體動力學原理分析不同類型加強筋以及在﹟形分布的加強筋上開設過流孔對管內流動特性的影響;給出不同雷諾數下管內壁梯形、矩形和三角形粗糙單元對管道出口處流體質量流量的改變情況,并從渦街結構和強度等角度對原因進行解釋。得出如下結論。
(1)相同條件下,加強筋//形分布的閥板流場壓力變化較為平緩,即//形分布對流體的擾動較小,流經閥門的流體動力水頭損失少,單位時間流體的流量比﹟形分布和◇形分布要多。
(2)開設過流孔不僅可以極大提高流量,流動變得平緩,而且對閥板結構強度的影響不太大。
(3)不管何種粗糙單元,隨著雷諾數增大,出口處流體質量流量均隨之增大;相同雷諾數下,矩形粗糙單元的出口處流體質量流量比其他兩種情況小。
綜上所述,綜合考慮閥門結構強度和對內部流體流動特性的影響,蝶閥宜采用帶有過流孔﹟形分布加強筋的閥板。今后需深入考慮過流孔的尺寸、分布方式和形態等參數以及管道內壁其他因素對內部流動的影響。