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关于湍流模型对阀门数值模拟精度的影响

1介绍

调节阀在工业生产以及日常生活中有着广泛的应用。随着科学技术的进步,人们对调节阀的要求也越来越高,除了实现预期的功能之外,还进一步要求阀门能节省能源、高效运作、结构尽可能简单以及容易维护等。用于控制精度要求不高工况的机械自力式恒流量阀就是一种低成本,结构简单耐用的节能阀。其恒流量的特性完全由几何形状来决定。要得到较好的恒流量特性,必须要确定合理的几何布置,这些几何布置一般都要通过无数的实验来测定。由于实验费用高,周期长,形成一个成熟的产品需要很大的投入以及很长的时间。计算机硬件的发展以及计算流体力学的发展,使得用数值模拟的方法来预测阀门的性能以及指导设计和实验成为可能。在实际应用过程中,阀门和管道内流动的流体都处于湍流状态。而目前应用的各种湍流模型都有自己的优势和缺点。为了使数值模拟的结果更接近实验值,有必要对各种湍流模型进行测试,找出更适合于阀门流动相关的模型。

2 数值模拟

本文研究的对象是如图1所示的具有双阀板结构的自力式气体恒流量阀。该阀安装在方形管道中,当来流速度发生改变时,阀板前后的压力差值发生改变,此时一对安装在阀板上的弹簧也随之变形来抵消压差的变化,在弹簧的带动下自动改变阀板的开度,从而达到流量平衡控制的目的。

目前,双参数的湍流模型是在实际中应用较广泛的湍流模型,这类湍流模型在计算量和模型精度方面融合的较好。本文所采用的湍流模型都为双参数模型,分别为标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型以及κ-ω模型。在数值实验过程中,取空气作为流动介质,阀门开度分别为15°、30°、45°和60°(阀板82°时闭合),考虑2m/s和4m/s两种来流工况下流动的阻力系数以及阀板的扭矩。同一种模型的阀具有相同的阻力系数,其定义式为

式中:

ΔP———压差,MPa
u ——— 介质速度,m/s
ρ——— 空气密度,kg/m3

图1 双阀板转轴的几何结构与速度大小分布

图2为不同湍流模型计算得到的不同开度下阀板的扭矩。从图上可以看出,对于同样的计算工况,用不同湍流模型计算得到的阀板扭矩并不相同。在本文所考虑的三种湍流模型下,标准κ-ε模型预测的扭矩最小,κ-ω的值比RNGκ-ε的值略大。在流速较小的情况下,模型之间的差别要高于速度较大的情况。

(a)2m/s

(b)4m/s

图2 不同开度下阀板的扭矩

图3为不同湍流模型计算得到的不同开度下的阻力系数。由于不同速度下所得的阻力系数比较接近,所以本文只给出4m/s时的预测结果。从图上可以看出,不同湍流模型计算所得的阻力系数也各不相同。标准κ-ε模型预测的阻力最小,κ-ω的值最大。RNGκ-ε模型的值与κ-ω比较接近。

图3 不同开度下的阻力系数(4m/s)

3 实验研究

为了比较各种模型的计算精度,搭建了装有高精度压差传感器和热线风速仪的管道流动实验台。

左端由风机提供风源,风机的电源连接变频器,可以通过调节变频器实现对风管上端压力变化情况的模拟。风机连接一个大木箱,对气体稳流,木箱与管道之间通过软管连接,软管的末端和阀前均安装有整流栅或整流网,可以使流入管道的气体均匀。阀前与阀后接压力传感器,压力传感器的数据通过控制箱读出压差。风速由热线风速仪测出。

图4 湍流模型计算得到的阻力系数

图4给出了计算值与实验值的比较。从图上可以看出,除了在开度为60°外,其他开度下,所有模型的预测结果都要比实验值低。在开度为60°时,实验值要比κ-ω和RNGκ-ε的预测值小,但仍然大于标准κ-ε模型值。从阻力系数的比较可以看出,实验值与κ-ω和RNG
κ-ε的预测结果比较接近,而与标准κ-ε模型相差较大。

4 结语

通过数值模拟与实验比较证明,在阀门的计算过程中,标准κ-ε湍流模型误差较大,而RNGκ-ε模型和κ-ω模型的预测结果与实验结果比较接近。但是与实验值相比,其误差仍然超过了9%。所以,如果对阀门的控制精度要求不高,那么可以用数值计算的结果进行定型设计。如果对阀门的控制精度要求很高,则数值模拟的结果只能作为一个初步的结果来指导设计和改型。

参考文献

〔1〕沈新荣,李增珍,李江莉.一种自动流量平衡阀的实验研究〔J〕.流体机械,2006,34(11):4-7.
〔2〕Patankar,s.v.Numerical Heat Transferand Fluid Flow〔M〕.NewYork:Hemisphere,1980.