截止阀启闭时流动特征的动态数值模拟

动网格模型模拟截止阀阀盘自上而小运动阀道内 的流质状态, 取时间步等于 100 步时的状态量进行观 察, 如图 4( b) 所示, 阀盘运动到阀门中间位置 , 阀盘开 度为 50 % , 流体经过阀盘两侧流向截止阀出口, 速度在 B 区域出现峰值, 大小为 M axv = 10 . 1 m /s , 流场里较大 的速度必然带来较大的液压冲击 , 直接导致系统动压 ( dyna m ic pressure) 迅速升高, 如图 6( b) 的 E 区域出现 了动压峰值 M axP = 557 000 P a , 动压与流体速度和流 体密度相关, 三者关系为 : Dp = v 2
V V
∀ ( u - us ) dA = ( 2)
∀ dA + S某控制体; 是液体密度; u 是液 体速度矢量; us 是 动网格的 网格变形 量; # 是扩散系 数 ; S ∀ 是通量的原项; V 代表控制体 的边界。
2 模拟分析
2 1 边界条件 数值计算采用的边界条件为: 参照图 2 , 油液进口 处 : 速度入口 ( ve lo c ity- in let) , 速度大小为 3. 4 m / s(由 系统公称流量和管道内径确定 ) , 方向为垂直入口 ; 油 液出口处 : 压力 出 口 ( pressure - ou tlet) , 大小 为 0 . 5 M P a( 系统公称压力 ) ; 流体区域 : interior 边界; 其余边 和阀座 : 固体壁面边界条件 ( w all), x 和 y 两个方向上 的速度为零。
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振 动 与 冲 击
2010 年第 29卷
阀二维模型 ( 截止阀阀盘开启状态 )如图 2 所示。 1 2 控制方程 液压阀阀 道内流动 属于湍流 , 求 解器参数 : 隐式 (I m plicit) 、 二维 ( 2D ) 、 非稳态 ( Unsteady )、 k epsilon 湍 流模型 , 满足纳维叶 - 斯托克斯 ( N av ie r Stokes) 方程 , 简称 N - S 方 程。该方程在 1845 年由 Stokes 独立提 出 , 粘性系数为一常数的形式, 即: u u u 1 p + u + v =+ t x y x v v v 1 p + u + v =+ t x y y
3 计算结果及分析
3 1 速度特征 3 . 1 . 1 速度分布 图 4 是 F lu ent计算出来的阀盘处在不同开度下的 速度梯度对比。其中 , 图 4( a)是阀盘开度为 100 % (阀 盘完全开启 ) 时的速度分布云彩图 , 从云图中可以看到 整个流场区域内质点的速度。最大速度出现在如图 4 ( a) 所示的 A 点区域附近, 该大小为 v = 9 . 96 m / s。阀 盘完全开启时, 截止阀进口的流质速度从入口中心
CFD 分析模型采用二维模拟 , 二维模拟的优点是
收稿日期 : 2009 - 11- 18 修改稿收到日期 : 2010- 03- 11 鹏 男 , 硕士 , 教授 , 1963年 11 月生
能从分析图像上清晰看到阀体中流体的速 度、 压力分 布和各种液流现象。按照表 1 的尺寸参数绘制的截止
第一作者 巴
J41H 截止阀参数
T ab . 1 Th e param eters of J41- typ e stop valve 公称压力 /M Pa 1. 6M P a 公称通径 /mm DN 25 尺寸 /mm L 160 D 115 D1 85 D2 65 Ds 66 b- f 16- 2 H 275 试 验压力 /M P a 壳体 2. 4 密封 1. 76 重量 /kg 7. 4
的方法对截止阀的流动情况进行动态数值计算。详细模拟 出截止阀阀盘开启和闭合过程中阀体内部的速度、 压 力分布和 压头损失。 CFD 模拟阀体压头 损失值和利用理论计算的阀体压头损失 值吻合较好 , 阀门 的开启或闭 合 , 水 泵的突然 停车 等原因 , 使流速发生突然变化 , 同时产生压强的大幅度波动 现象。通 过 CFD 技术在模拟截止阀 启闭过程中 动态流动 状况 的应用 , 能够确定流体通过阀道时所产生的漩涡、 水锤和死 水区等水流状况 , 为液压冲击的预测与防范及阀道结 构优化提 供理论依据。 关键词 : 稀油站 ; 截止阀 ; 计算流体动力学 ; CFD 数值模拟 ; 液压冲击 中图分类号 : TH 137. 5 文献 标识码 : A
图 1
J41H 型截止阀剖面图 F ig . 1 The pro file of J41- type stop valve 表 1
图 2 CFD 分析的 截止阀二维模型 m odel in CFD analysis
F ig . 2 The t w o di m entional stop va lve
振 第 29卷第 10期
动 与
冲
击 V o. l 29 N o . 10 2010
J OU RNAL O F V IBRAT I ON AND SHOCK
截止阀启闭时流动特征的动态数值模拟
巴
摘
鹏, 邹长星, 陈卫丹
210802)
( 沈阳理工大学 机 械工程学院 沈阳
要: 针对 XYZ - 125G 型稀油站所广泛使用的 J41H 截止阀工作状态下流场特点, 采用计算流体动力学 ( CFD )
截止阀采用了非结构网格划分方法 , 划分为 4 772 个节点 ( nodes) 、 9 082 个单元 ( elem en ts) 。划分后的截 止阀网格形状如图 3 。
第 10 期
巴
鹏等 : 截止阀启闭时流动特征的动态数值模拟
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( a)
阀盘开度启闭前
( b)
阀盘启闭中
( c)
阀盘关闭时
( a) Befo re va lve p late open
1 结构模型
1 1 物理模型 图 1 所 示为 在 XYZ - 125G 型 稀油 站 中 使用 的 J41H 型截止 阀的剖面图。其结构特点 : 手轮驱动 , 法 兰连 接, 锲 式明 杆 单 闸板 结 构; 阀 体 的 公 称通 径 为 DN25 , 采用不锈钢材料制成 , 结构尺寸如表 1 。
阀门在现代工业的各个部门中有着广泛的应用 , 是工业系统中不可缺少的主要设备之一。随着科学技 术的高速发展, 截止阀作为通用机械产品已面临各种 挑战, 国内 80 年代的截止阀产品结构已不能满足现代 工业日新月异的变化 , 国外已出现了许多结构先进、 新 颖的产品, 国内市场对截止阀的结构特点也提出了许 多新的要求。为了适应国内外突飞猛进的科技发展 , 适应高参数、 高性能的工业输送系统, 满足各类建设项 目的需要, 开发和研制截止阀新产品、 探索和追求有特 色的截止阀新结构势在必行。 XYZ- 125G 型稀油站管路系统使用 N150 机械油 - 4 作为介质, 当运动粘度为 1 . 4 10 斯的 N 150 流经截 止阀时 , 会产生漩涡、 气穴、 水锤和死水区等水流现象 , 这些现象严重影响和危害管道的工况 , 产生振动、 液压 冲击、 噪音和水头损失。而液压冲击对液压系统危害 很大, 产生液压冲击时 , 瞬时压力峰值通常比正常压力 大好几倍, 这可能破坏设备、 影响工件的加工质量 , 使 工作元件产生误操作。目前对阀门流动特性的研究尚 未引起足够的重视, 基本上还是依据传统设计方法和 经验设计产品, 不注重对阀道中的压头损失、 液压冲击 等的研究。 计算流体动力 学 ( Com putational F lu id Dynam icss, 简称 CFD) 技术 , 是通过计算机数值计算和图像显示 , 对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所 做的分析。本文采用 CFD 技术模拟截止阀阀道里阀盘 启闭过程中液流状态 , 得出阀体内压力图像分布云图、 速度图像分布云图以及能量损失数值, 为分析阀道闭 合时产生的水 头损失设 计和阀道 结构优化 提供理论 依据。
图 3 截止阀网格 F ig. 3 T he e lement o f stop va lve
宏的参数 cg_ve l指平均速度, 函数体第五行 cg_ve l[ 1] 就是 cg_ve l的 y 方向的速度分量。由此可 知, 程序模 拟阀门以 0 . 1 m / s的速度沿竖直方向关闭或者开启 , 改 变 cg_vel[ 1]的值, 可以加快或者减慢阀门的开启或者 闭合。
( b) W hen va lve p late open 图 4 阀盘处在不同时刻速度云图对比 /( m ∃ s- 1 )
( c) W hen valve plate c lo se
F ig . 4 The contrast to ve loc ity c loud o f valve plate at d ifferen t ti m es/ ( m ∃ s- 1 )
u u 2 + 2 x y
2 2
2
v v ( 1) 2 + 2 x y 式中: = ! / , 为流体的运动粘度。 N - S 方程比较准 确地描述了实际的流动, 粘性流体的流动分析均可归 结为对此方程的研究。此外 , 由于要模拟液流流经截 止阀时阀盘的开启与闭合状态, 还要用到动网格模型 ( Dyna m icM esh), 动网格模型可以用来模拟由于边界 运动引起流域形状随时间变化的流动情况。其方程可 由下式表示 : d ∀ dV + dt V #
2
2 2 模拟计算 ( 1) 求解器 ( So lv er) 设置 对流动问题的计算 , F luent提供了耦合求解和非耦 合求解两种形式的计算方法, 二者各有特点, 二维截止 阀模拟采用 f lu ent默认设置即非耦合求解。该求解能 够求解能量和动量方程 , 且能很快得到收敛, 但是要求 计算机具有很大的内存。由于需要查看截止阀工作时 阀盘启闭过程中阀道内压力、 速度分布和各种水流现 象随时间 的变化 , 因此选 择非稳态 ( unsteady ) 时间求 解。综上 , 求解器选择非耦合器和非稳态时间求解器。 ( 2) 动网格 ( Dyna m icsM esh) 设置 模拟二维截止阀阀盘启闭过程中液流状态 , 属于 流域边界运动引起流域形状随时间变化 的流动情况, 必须采用动网格模型。通过 flu ent菜单设置动网格参 数和区域 , 设置如下 : Def in e> Dynam ic M esh > P ara m e ters , 参数 设置 如 下, 选用动网格 的更新方 法 ( M esh M ethods) 为 Sm oot h ing+ R e m eshing 。其中 ! Sm oo th in g 设置 : 弹簧倔强系 数 ( Spring Constant F acto r) : 0 . 08 ; 边界节点松弛 ( Boundary Node Relaxat io n) : 0 . 5 ; 收敛 判 据 ( Conver gence T o le rance) : 0 . 001 ; 迭 代 次 数 ( Num ber o f Itera tions) : 50 。 ∀ Rem esh in g 设置 : 为了得到较好的网格更 新, 本例在使用局部网格重新划分方法时, 使用尺寸函 数, 也就 是 R e m eshin g + M ust I m prove Ske w ness + S ize Functio n 的策略。将 M in i m um L eng th Scale 及 M ax i m um Length Scale 均设置为 0 , 为了使所有的区域都被标记 重新划分 ; M ax i m um Ce ll Skew ness( 最大单元畸变 ) , 参 考 M esh Scale Info#中的参考值 0. 51 , 将其设定为 0 . 4 , 以保证更新后的单元质量。 ( 3) 动网格驱动 二维 截止 阀阀 盘启 闭过 程的 动 网格 模拟 , 采 用 UDF ( U ser Define Function) 函数控制动边界的运动, 其 函数体为 : # in clude < stdio . h> # in clude "ud. f h" ( va lv e , dt, t i me , dti m e) { cg_vel[ 1] = - 0 . 1 ; } 通过这个函数可以定义阀盘的运动规律 , 定义运 动规律时, 要 通过 F lu ent 提供的宏 DEF INE _CG _MO TI ON 才能使得 F luen t接收到设 定的运动规律。这个