数值模拟调节阀内部流场及能量损失分析与探讨

发布时间:2011-01-04  点击数:2373
    调节阀是过程控制系统中由动力操作而改变介质流量的装置,其主要功能是调节流量。调节阀在控制系统中是必不可少的,它是组成工业自动化系统的重要环节,被称为生产过程自动化的“手脚”。作为过程控制系统中的终端元件,一方面,随着自动化程度的不断提高,已日益广泛地应用于冶金、电力、化工、石油、轻纺、造纸、建材等工业部门中。另一方面,调节阀又是工业自动化仪表中使用问题最多的产品,如可靠性差,阀体笨重,种类繁多等,也是更新换代最慢的产品。
    迄今,仍以五六十年代水平的产品如单座调节阀双座调节阀套筒调节阀等为主导产品(约占70%左右),产品陈旧落后。调节阀是通过对介质(一般为流体或气体)的节流以达到流量调节的作用,是当然的耗能设备。随着世界性能源危机,调节阀的节能问题日益引起人们的重视。在其实现调节功能的同时还要节能。因此,提高能源的利用率,节能、环保、智能化、标准化、精小化等成为调节阀发展的主要方向。
    随着电子计算机和计算流体力学(CFD-ComputationalFluidDynamics)的迅猛发展,CFD数值模拟的优越性越来越明显,己逐渐成为工程设计的一个很重要的辅助手段。通过CFD在产品设计中的应用可使产品的结构设计更趋于合理。近年来,在调节阀设计中CFD数值模拟也得到应用,本文正是旨在降低调节阀阀内流场的能量损失,通过数值模拟方法对调节阀进行优化设计。
一、计算模型及边界条件
    1、控制方程
    阀门内部流场为三维粘性不可压流体,在恒定流条件下,控制方程采用三维直角坐标下的N-S方程,即能量方程其形式如下

    连续性方程为

    2、计算方法及边界条件
    本文所求解的基本方程是三维不可压N-S方程,湍流模型采用标准κ-ε模型,临近固壁的区域采用标准壁面函数处理,离散方程的求解方法采用非结构网格上的SIMPLE算法,速度压力场采用隐式的全场迭代解法。边界条件规定进口总压力与出口压力。
二、几何模型及网格划分
    1、调节阀三维实体建模
    本算例中调节阀实体建模由Pro/E三维设计软件完成(调节阀设计几何参数由某企业提供),并利用其的布尔运算抽取调节阀流道及其加长管道部分。为便于更好的模拟阀内实际流动情况,对阀门进出口管道加长,阀体前管道长度为190mm(约为管道直径的5倍),阀体后管道长度为190mm。图1为所生成的三维几何实体。

    2、计算区域及网格划分
    将调节阀的三维实体导入Gambit进行数值计算前处理。如果对调节阀流道整体进行网格划分,网格数比较大,对计算机内存的要求较高,计算速度慢。由于该HTS调节阀的几何结构,计算中以调节阀流道的对称部分为计算域,可以使网格数量大大减少,利于提高网格的密度,从而提高计算精度和速度。
    由于调节阀流道结构复杂,难以对整体进行网格划分,本文把整个区域划分为3个部分。阀芯和阀座密封处周围压差变化比较大,此处的网格应划分比较细密,采用非结构化四面体网格,而在流道进口和出口的直管段流动趋稳的部分网格划分可采用楔形体(六面体)网格,且网格可以划分地较为稀疏只占总网格数10%左右。划分后网格数为100万左右。图2为调节阀开度为100%的阀道网格划分。

三、计算结果及分析
    本次计算对开度为100%(即阀芯提升到最大升程25mm)的调节阀进行不同工况的计算。

    取该调节阀的内部流场对称面进行分析,研究其内部的流场分布情况。
    图3为进口总压540kPa,出口压力400kPa的状态下,取该调节阀的对称面进行分析。从压力等值线图可以看出,进出口压力较为均匀,分别为540kPa和400kPa左右,进出口压差较大,流道的压降主要用于克服调节阀前后的阻力(阀门节流作用的必然结果)。

    从速度等值线图(如图4)中可以看出,进口流速和出口流速分布都比较均匀,大约都在2.34m⋅s-1左右,这表明所取的计算域可以让水流充分的发展,计算域延伸段取值合理。由于管道进口处与出口处直径相等,根据连续方程(ρVA=C),进出口平均流速相当(不考虑摩擦)。水流流至阀芯底端平面时逐步滞止,此处压力升到最高,动能转化为势能。当水流流至阀芯与阀座之间时,由于流通面积的迅速减小,此处的压力也随之迅速降低,压力最小处达431kPa,而速度达到最大,势能转化为动能,并伴随着能量的损失。从速度等值线中可见速度达到4m⋅s-1
    图5为对称面速度矢量分布图。由图可以清楚的看到阀内流体的流动情况,在流体进出口的流动比较均匀(与图3和图4所示相吻合),当流体流至阀芯底部时,速度值较低,水流被分流后流向阀芯和阀座之间。随着通流面积的减小,由连续性方程,速度值随之增大,在流通面积达到最小时,水流速度值达到最大。水流流入下游腔体内,由于流道扩大流动趋于均匀,因此,在运行过程中,不平衡力小,稳定性好,不易振动,阀门内件不易损坏。
    此外由图5还可以看出,在对称面上存在几个流速非常低的的区域,如在与导向套接触的区域,形成了流场的死区,其形状结构对于流量的影响微乎其微,而阀芯和阀座的节流区域才是最关键的节流区域,贴近阀芯壁面处压力达到最低,速度达到最大值,所以阀芯与阀座的形状配合决定了整个调节阀的流量特性。也可以清楚的看到在阀道右下部存在较大范围的漩涡。且流速不大,可以考虑改变流道型线进行优化。


四、流道优化设计与分析
    通过对100%开度下,对调节阀前后压差变化时的流动进行了数值模拟,从图3~图5对称面上可以清楚地看到在阀道的右下方有非常明显的大范围的旋涡。其次是阀道出口的主流集中在管的上壁,在下壁流速分布不均匀、流速梯度大。
    在阀道内产生的旋涡形成剧烈紊动的分离回流区是水头损失的主要原因,数值模拟的结果说明用原阀门通道型线并不是很合理。
    从图5可以看出造成这种情况出现的原因是阀门右侧流道的下方(A处)横截面积过大,因此考虑减小该区域的横截面积以达到改变此处大范围旋涡的目的。鉴于此,考虑阀门的安装要求,只对阀门流道的右半部分进行改进,针对全开的情况下,以减小流道中的能量损失为改进优化的目标,对右侧流道下部进行了改进,使其的横截面积减小。对A处进行参数化,通过动态型值点改变型线,使面积变化控制在5%以内。如图6所示为改进后模型的对称面剖面图。
    对改进后模型进行数值模拟分析,图7为改进后模型的对称面速度矢量图。我们可清楚地看到在改动后的右侧流道基本上没有漩涡存在,说明流动情况有明显改善,从而减少了流动的能量损失。
五、结论
    综上所述,在减小该调节阀流道中回流时,可以考虑适当减小右半部分流道流通面积,可以有效减小流动中回流,从而减少流动的能量损失,从而对流道进行优化。降低调节阀的能耗,提高能源的利用率是调节阀的一个发展方向。对于减少阀道内产生的旋涡形成剧烈紊动的分离回流区是减少流体通过阀门水头损失的较好的一种方法,该方法对其他类型阀门也具有指导意义,在阀门设计、制造阀门中应考虑使阀门的流道尽量符合流动特性、符合流体流动轨迹、使流动速度尽量的均匀,从而降低流体通过阀门所产生的能量损失,对国家和社会的可持续发展具有深远意义。


    参考资料
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