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  • 球阀流场的数值模拟与分析-德国莱克LIK品牌
    发布日期:2017-4-14


    在航空航天领域中,对阀门流量特性的研究主要集中在对阀门流量系数和流阻系数方面,研究所采用的手段主要是测量与预估相结合的方法。在很多情况下,发动机系统的技术指标的完成很大程度上取决于阀门内部流动的水力损失。而流量系数和流阻系数是两个十分复杂的参数,它们与介质属性、液流流动状态、阀门流道设计结构等诸多因素相关。由于阀门的流道结构十分复杂,通过简单的流道估算往往很难达到需要的精度和目的,因此往往依赖于大型水力试验。

    随着航空航天的发展,与以往型号相比对阀门的通径和流量要求增大,可靠性和安全性要求更高,对试验条件的要求也越来越苛刻。这给球阀的设计与应用带来了很大的不便,尤其是在设计的初期,无法预测阀门结构设计可能存在的隐患和预测不同结构的流动特性和流量系数,使得液体火箭发动机阀门在设计初期的可靠性无法得到根本性的提高。

    本文正是应用计算流体力学和数值模拟的相关理论以及最新发展成果,结合试验验证和理论分析,对可调节球阀的流场进行分析,对随不同角度变化下球阀的流量系数和流场的三维分离流动进行数值仿真与可视化研究,进而为阀门结构设计和性能优化提供全面的素材,为球阀的研究开辟新途径、提供新方法。因此,无论在航天领域还是其他工程应用领域都具有一定的现实意义和应用价值。

    1 数学模型

    球阀内部的流动情况比较复杂,尤其是在小开度的情况下存在大尺度的三维分离流动。本文采用雷诺时均N-S方程组和k-ξ两方程湍流模型对球阀内部的流动进行数值模拟。为便于数值计算,对球阀流场进行如下简化:

    a)球阀流道计算区域内流体为不可压流体;

    b)根据50kg/s计算流量,得到流动雷诺数为Re=9.1×105,流道内的流动过程为三维不可压、高雷诺数湍流流动;

    c)忽略热传递和能量交换,按定常流动方法进行模拟。

    k-ε两方程模型基本形式比较简单,能较为真实地描述流动中主要的物理过程,有较好的通用性和精度,且不需要太大的计算量,它是目前应用最广、在科学研究及工程实际中得到广泛检验和成功应用的模型。在直角坐标系下,对于不可压缩流体,忽略热交换条件下,标准k-ε两方程模型封闭方程组以哈密尔顿算子∇形式表示,并以运动黏度ν代替介质的动力学粘性系数μ,则有:

    式中U为进口介质的速度,m/s;Cu,C1,C2,Ok,Oε为k-ε湍流模型的常数;k为单位质量流体湍流脉动动能,m2/s2;νt为湍流运动黏性系数,m2/s。

    上述k-ε模型中的系数取值见表1。

    本文采用了基于非交错网格的有限体积法对控制方程组进行离散,控制体积的界面位于网格各个结点的中间平面上,利用压强校正法求解各个变量。壁面附近的流动采用壁面函数进行模拟。

    2 实体建模与边界条件

    根据阀门的结构设计总图,考虑到实际数值模拟的可行性,对球阀计算模型进行了合理的简化。为了保证仿真计算的精度,对流场影响较大的球体密封部分、球体旋转通道和壁面等部分按照实际设计尺寸进行了细致的描述。选取整个球阀流体通道作为计算域,采用CAD实体建模软件SOLIDWORKS进行实体造型,保存为Step格式后输入到FLUENT前处理软件GAMBIT进行网格的划分。流动方向为+x方向。阀门流场实体模型以球体开度为30°为例,如图1所示。

    为简化计算,将进口条件给成均匀流场的形式,vin=0(即y向速度为0),x向分量u由给定的进口流量计算得到,管道进口的湍流动能k和耗散率ξ由下式给定:

    式中D为球阀入口直径。

    在实际流动中,雷诺数大于105,湍流相当强烈,进口kin,εin对计算结果影响不大。对于不可压定常流的三维微分方程,由微分方程的定解条件可知,属于混合型。压强波瞬间传遍全域,而流线上的信息却由上游传向下游,一般解法难以奏效。采用SIMPLE算法,只需给出压力值的大小就可以,本文中球阀出口直接通向大气,所以出口条件为:pout=1.01325×105Pa。

    在管道和阀瓣壁面上给定无滑移固壁条件,即

    vwall=0,wwall=0,kwall=0,εwall=0。

    3 计算网格

    采用FLUENT的前处理软件GAMBIT来划分网格,三维流体数值计算可以采用的单元类型有四结点的四面体单元、五结点的金字塔单元和八结点六面体单元等。上述几种单元相比,六面体单元的计算精度高于其他两种单元的计算精度,但由于球阀内流道相当复杂,采用六面体单元划分网格很困难,因此采用四面体单元进行离散。实际计算时为了满足计算精度的需要,又不增加不必要的计算量,在出口区设置单元尺度较小,进口区的单元尺度相对较大,同时为了提高计算精度,在阀门旋转球通道的旋转入口和旋转出口采用加密网格,具体网格划分情况见图2。

    实际计算时上述模型被划分为517199~823604个三维单元,为了提高计算精度,曾将40°网格数目由536081提高到1096623个,结果2种网格的计算结果相差不大,说明计算网格的划分比较合理,同时为了较好地模拟压力梯度较大的区域,在FLUENT计算结果处理过程中对网格进行了压力梯度自适应处理。

    4 CFD仿真结果分析

    数值计算时采用计算机主板为奔腾4,内存为512Mbit,模型计算时的残差迭代到500步时已全部收敛于1×10-3,说明计算模型的收敛速度比较快。

    图3为球阀开启角度为20°时yz截面和xz截面的流速矢量图。数值模拟的结果表明,球阀开度为20°时在阀门内形成了大量的漩涡流动,回流区控制了整个流场结构,而且从两截面速度矢量图中可以看到漩涡基本以对称的形式成对出现,且漩涡尺度基本相当、同时旋转方向相反。

    图4为球阀开启角度为30°时yz截面和xz截面的流速矢量图。从图中可以观察到,球阀开度增大到30°时,在yz截面上的回流区变为2个很大的回流区,回流区中心压力最低。由于球阀后面存在局部低压区,从球阀上方越过的流体部分折向下流,从球阀下方流过的流体部分折向上流,在yz截面上形成2个大小相等,方向相反的旋涡。在xz截面上也可以观察到有回流区存在,但是与20°时的速度矢量图相比(见图5),xz截面漩涡尺度明显小于20°,说明三维分离流动比20°时有所减弱。

    随着球阀开度的不断增大,球阀旋转通道内的漩涡不断减弱,直至阀门开度大于70°时在xz,yz,xy3个截面上漩涡流动基本消失,70°开度的阀门yz截面速度矢量图见图6。

    根据数值仿真的计算结果,可以容易得出球阀在三维流动条件下给定流量为50kg/s时的随阀门不同开度下的压降。根据压降、流量和流量系数之间的换算关系式,在给定流量50kg/s条件下,可以计算出球阀不同开度下的流量系数值。

    式中ΔP为阀门进出口压降,MPa;F为流通截面积,mm2;k为流阻系数,无量纲;μ为流量系数,无量纲;

    工程计算中通常用μF值表征阀门的流通能力,因此常用μF值取代μ值,把它称为该阀门的流量系数。根据式(4)容易计算出球阀流量系数μF随球阀开度χ变化关系曲线,如图7所示。

    5 试验研究和结果分析

    为了验证仿真计算的结果,对研究的球阀进行了水力试验,本课题所采用的试验装置如图8所示。

    试验球阀在不变流量(50kg/s)下由开到关和由关到开的流量系数曲线见图9。

    由试验曲线图可以看出,在相同流量下,球阀的流量系数μF值随开度的增大而增大,在70°~90°区间变化最大。与三维计算和试验结果的流量系数特性对比见图10。

    6 结论

    本文采用SOLIDWORKS和FLUENT软件相结合,用基于非结构、非交错网格的有限体积法求解,用k-ξ两方程模型封闭N-S方程组,用三维准静态方法对球阀的流场进行了模拟,对球阀的研究条件做了一些简化和规定,在此条件下得到了与球阀的试验值吻合较好的计算结果。这种方法用以球阀的理论研究,具有较高的精度,同时仿真计算可以得到球阀不同开度下流场漩涡分布的详细信息。模拟的结果表明:球阀开启角度小于70°时,在通道内开始出现漩涡;当球阀开启角度继续变小时,在与管道轴线垂直的截面上形成的一对大小相等方向相反的漩涡控制着流场,并随开度增大尺度持续增大;当球阀开启角度小于30°时,通道内出现了一对或多对大范围回流流动,且控制了整个流场结构。在球阀下游,漩涡相互作用,逐渐减弱,接近管道出口时漩涡流动基本消失。根据不同关阀角度球阀的数值模拟结果,利用压降、流量和流量系数换算关系式,计算得到流量系数与球阀开度之间定量关系曲线,可以看出球阀流量系数随着开启角度的增大呈抛物线状增长,且开度越大,增长的速度越快。

    参考文献
    (1)陶文铨。数值传热学(M)。西安:西安交通大学出版社,2004。

    (2)杨源泉。阀门设计手册(M)。北京:机械工业出版社,1992。

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