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电子式偏心蝶阀不同串联方式的流动阻力特性

1引言

电子式偏心蝶阀是管路系统中常用的调节阀,由于阀板的偏心,蝶阀在串联工作时,在阀门不同的安装角度下,阀板相对位置的不同可能会使其流动特性有所不同。在同等条件下,降低管路系统的阻力损失,可以使得通过管路的冷却水流量增加,从而更加有效地达到节能降耗的效果。因此研究蝶阀不同串联方式对流动阻力的影响,对优化管路设计是很有参考意义的。

阀门的流阻特性以往主要通过实验求得。阀门内部的流动情况比较复杂,试验只能得到阀门流动的整体阻力特性,而无法反映流动的细节。随着计算流体力学和计算机技术的发展,用数值计算的方法得到阀门的流阻特性已经成为可能。与实验方法相比,用计算流体力学对阀门的流动情况进行模拟不仅简便易行,而且还可以了解阀门内部流场的详细情况,如压力流速分布、分离流动区域等,对于指导阀门的设计、改善其流动状况、减小流动阻力具有重要意义。

2 数值计算模型

2.1 模拟对象

本文所模拟的对象为某船舶循环水系统中所采用的偏心蝶阀。考虑边界条件的给定,计算中加长了计算域,将蝶阀前加长2倍的管路直径,蝶阀后加长5倍的管路直径进行计算。给定速度进口和出口压力边界条件。考虑到所模拟的蝶阀及管路系统流动基本都处于湍流状态,一般在计算区域的边界要求给定湍流参数。

基本湍流参数的计算方法为:

湍流强度I:

式中 

———湍流脉动速度与平均速度,m/s

ReDH———按水力直径DH计算得到的Reynolds数

对于圆管直径,水力直径DH等于圆管直径,对于其他几何形状,按等效水力直径确定。湍流长度l计算式为:

式中 

L———关联尺寸,对于充分发展的湍流,可取L等于水力直径

计算中选取标准k-ε两方程湍流模型,计算方法采用segregate分离式方法,湍流动能、湍流耗散项、动量方程的对流项都采用二阶迎风格式离散;用SIMPLE算法求解压力和速度的耦合关系。壁面采用无滑移边界条件,标准壁面函数。工作介质为水。

3 计算结果及分析

3.1 单蝶阀数值模拟结果

根据计算结果,该偏心蝶阀的压差随着流量的变化趋势如图1所示。

图1 蝶阀阻力损失与流量关系曲线

偏心蝶阀上下管壁距离不等,造成上下压力与流通面积都与普通蝶阀不等,从而加强了阀后的旋涡流动,因而其阻力损失要比不偏心时的要大一些。因此在相同流量条件下,偏心蝶阀的压差比普通蝶阀的压差要大一些。

图2为流量5×106kg/h时中心截面处的速度分布图。

图2 蝶阀中心截面速度云图

从图中可看出,在绕流阀板时,由于阀板背面存在局部低压区域,在阀板背部出现了低压回流区,产生流动分离。

将模拟结果所得的阻力损失进行计算,得出蝶阀的阻力系数,与使用单位提供的试验数据相比吻合较好,说明数值计算的正确性。

3.2 偏心蝶阀不同串联方式的模拟结果

由于偏心蝶阀的阀板不在管路的正中心,相邻阀板的不同位置必然引起流场的差异。因此对相邻偏心蝶阀在不同布置角度时进行数值模拟可以揭示其整体阻力特性的变化,为在安装施工时尽可能降低整个管路系统的阻力特性提供依据。计算模型选取为相邻蝶阀阀板角度为0°、30°、45°6、0°、90°、135°和180°时共7种方案进行计算。图3为不同角度蝶阀布置时的部分示意图。计算中对两个蝶阀之前取2倍的管径,蝶阀后取5倍的管径进行二阶计算。通过对不同角度布置的两个蝶阀的计算,得出其阻力损失如图4所示。

由图可知,在相邻蝶阀不同的布置角度下,其整体阻力特性相差不大,最大仅为3.5%。说明相邻偏心蝶阀的布置对阻力影响不大。从流动阻力特性方面考虑,相邻蝶阀可以根据实际情况灵活布置,其流动阻力不会有大的差别。

从图5~8可看出流体绕流两个串联偏心蝶阀的流动特性。流体进入第一个蝶阀,绕流阀板,在阀板背部出现了低压回流区,如图5所示。

图3 相邻蝶阀不同角度布置示意

图4 相邻蝶阀不同布置角度下的阻力损失比较

图5 蝶阀一轴向垂直切面速度矢量

阀板上方越过的流体部分向下流,从阀板下方流过的流体部分折向下流,在绕过阀板边缘后形成两个大小相等,方向相反的漩涡如图6所示。

图6 蝶阀一后轴向垂直切面速度矢量

漩涡向下游发展过程中,尚未消失,又进入第二个蝶阀。

从图7可见,该截面上不仅有上游传递的涡旋,还有绕流该阀板时在阀轴尖角处产生的涡旋。

图7 蝶阀二轴向垂直切面速度矢量

随着流体向下游发展,绕过阀板以后,绕流第一个蝶阀产生的漩涡逐渐减弱,绕流第二个阀板后产生的漩涡迅速发展,也形成强涡流,如图8所示。

图8 蝶阀二后轴向垂直切面速度矢量

流体的机械能主要被这些漩涡消耗。在向下游的过程中,漩涡逐渐减弱,直至消失到流动平稳状态。

4 结论

(1)采用数值计算方法,能清楚地得到蝶阀内部的流动特性和阻力特性,为蝶阀的结构优化提供依据;
(2)相邻偏心蝶阀不同的安装角度对其整体的阻力损失影响不大,可以根据现场实际情况灵活布置。

参考文献

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