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关于船用消防阀流阻系数模拟测定方法的探讨

1 介绍

目前安装在管路上的调节阀,当有介质流动时要产生局部阻力,克服这种阻力要消耗能量。能量的消耗表现在压差的速度损失上,因为阀前压力比阀后压力高,这就需要确定某些与阀门流体阻力有关的数据。如压力损失(阀前和阀后的压力差)等等。

近年来,随着计算机技术的迅猛发展,某些发达国家已经在阀门领域的研究与开发中运用流体流动分析软件(FFSS——Fluid Flow Simulation Software)进行设计方案的测定及其改进。现阶段,我国对阀门流量系数和流阻系数测定的方案主要集中在传统的实物安装测定上,而从水利的角度对其内部流场的研究投入较少,使得对阀门的流量系数和流阻系数在设计上得不到很好的控制。为了更好的改进阀门的流通性能,减少设计及试验成本,运用数值模拟的方法分析其内部流场是十分必要的。本文运用COSMO SFloWorks流体分析软件,对船用消防阀在全开和半开情况下的流场进行了数值模拟,及流体在消防阀内的流动分析。

2 流程分析

2.1 设定分析项目

设消防阀内部流动的介质为水,依据JB/T5296-91的有关规定(水流通过阀门达到稳流时的流量系数),选择流动模型为单向流体的不可压缩粘性流动,无气穴现象,端墙设置为绝热壁,采用不可压缩流动的雷诺方程组与κ-ε紊流模型构成封闭的分析模型。

2.2 消防阀流道模型及网格划分

以DN65的消防阀(图1)为例,保证流体的稳定流畅性,取阀前管道长度L1=5D(D为管道直径),阀后管道长度L2=5D作为分析的封闭区域。

图1 消防阀

网格划分采用了非结构混合网格技术,利用COSMOSFloWorks的网格划分功能对其进行网格划分,采用自适应的网格技术对流场进行模拟。

2.3 边界条件

消防阀的边界条件主要有入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件等。

①入口边界条件 选择流体入口的流体流速为消防阀介质的入口流速。

②出口边界条件 选择流体的出口压力为消防阀介质的出口边界条件。

③壁面边界条件 选取为粘性流动,采用壁面无滑移条件。针对粘性底层和过渡层采用壁面函数法求解。

紊流模型采用标准κ-ε模型。规定进口边界条件为velocity-inlet,进行阀门的流体计算时,必须知道管路流速v,此速度可以通过流量来确定(G(t/h)或Q(m3/h)),或参考表1选取。选定管道进口速度V=2m/s,出口边界条件定为静态压力P=1.01325MPa。

表1 一般采用的管路流速m/s

3 求解结果分析

3.1 基础理论

流阻系数用于表征物体对流体流动的阻力大小,是一个无量纲数。随着流速的加大,流体的流动状态将经历层流区、层流到紊流的过渡区、水力光滑区和水力粗糙区等几个状态,其中前3个状态流阻系数ζ与雷诺数(Re)相关,是一个变值。

当流体过渡到水力粗糙区,也就是阻力平方区后,流阻系数ζ与Re无关,成为一条水平线,压力损失△P与流速V的平方成比例,流阻系数只与相对光滑度r0/ε相关。因此,在流体工程领域,流阻系数定义为阻力平方区的常数值,流阻系数取值的前提条件是流态进入阻力平方区。判断依据是Re>Rec,(Rec———边界雷诺数)取Rec=2300。圆管定常流动的下临界雷诺数取2300。

式中 

ζ———流阻系数
Re———雷诺数
V———流体的平均流速,m/s
d———管道直径,mm
μ———流体的动力粘度(水的μ=01001),Pa•s
△P———压差,MPa
ρ———密度,kg/m3
△Pλ———沿程压力损失,MPa
l———管道长度,m
λ———管道沿程阻力系数

3.2 消防阀内流场分析

(1)全开时

图2 消防阀全开时的流场速度分布

图3 消防阀全开时的流场压力分布

消防阀在全开时(图2、图3),由于阀瓣的阻挡,在阀瓣处流速和压头的变化比较复杂,流体的压头和流动能力进行着复杂的转换。在①的部位压头有所增加同时流速降低。在②的部位压头能量消耗在液体的流动上,使液体的流速增加,对阀瓣形成了一定的冲击。

(2)半开时

消防阀半开时,流通面积缩小,流道突然扩大,产生很大的压差损失。这时,流体部分流速消耗在形成涡流及流体的搅动和发热等方面,阀后会出现局部涡流现象(图4、图5)。

图4 消防阀半开时的流场速度分布

图5 消防阀半开时的流场压力分布

3.3 流阻系数求解

流体通过阀门时,其流体阻力损失以阀门在阀前和阀后的压力降△P表示。将相关的模拟数值代入式(2)中,得出消防阀不同开度下的流阻系数(表2)。

表2 消防阀不同开度流阻系数ζ

注:表中数据来源于数值模拟计算结果。

表3 消防阀全开时的试验数据

表4 消防阀半开时,所测试验数据

4 结语

①分析方法和分析模板是正确的,可以用于类似产品的分析。

②试验数据与仿真数据之间有较好的映射关系,根据仿真数据可以推出试验数据。

③可以用仿真分析代替部分试验,减少试验工作量和成本。

④可以用仿真分析验证产品的性能并进行优化设计。

⑤借助COSMOS可以提高设计效率,缩短产品的研发周期,从而提升了产品的市场竞争力。

参考文献

〔1〕 杨源泉.阀门设计手册〔M〕.北京:机械工业出版社,1992.
〔2〕 沈阳阀门研究所.阀门设计〔Z〕.沈阳:沈阳阀门研究所,1976.
〔3〕 刘健,李富堂.蝶阀流场的数值模拟及分析〔J〕.阀门,2008,3.
〔4〕 陆培文.实用阀门设计手册〔M〕.北京:机械工业出版社,2002.