胡畏彭小勇*謝海張園鄭玉蘭朱芳瑤

1南華大學(xué)土木工程學(xué)院

2湖南核三力工程技術(shù)公司

0 引言

在變工況氣力輸送系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)閥對(duì)系統(tǒng)壓力改變及流量調(diào)節(jié)起著重要的作用。眾所周知，調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)情況復(fù)雜，容易產(chǎn)生耗能的增大、系統(tǒng)的不穩(wěn)定、噪聲等問(wèn)題。為在設(shè)計(jì)上減緩以上問(wèn)題，分析空氣調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理及閥壁面壓力分布規(guī)律顯得較為重要[1～2]。為快速準(zhǔn)確地把握閥內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理，國(guó)內(nèi)外已廣泛采用數(shù)值模擬方法，其中運(yùn)用CFD流體分析軟件具有良好的可靠性[3～5]。

本文對(duì)一種新型滑動(dòng)式空氣調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理及閥芯壁面壓力分布規(guī)律進(jìn)行分析。該調(diào)節(jié)閥及進(jìn)出口管道均具有旋轉(zhuǎn)體特征，采用驗(yàn)證可靠的數(shù)值方法模擬了該調(diào)節(jié)閥在不同Re及不同開(kāi)度下的流場(chǎng)，并分析了流體流向及Re對(duì)流場(chǎng)及閥芯壁面壓力分布的影響。

1 控制方程及數(shù)值方法

1.1 控制方程及數(shù)值方法

滑動(dòng)式調(diào)節(jié)閥為旋轉(zhuǎn)體，閥內(nèi)氣流流動(dòng)屬于軸對(duì)稱定場(chǎng)低速不可壓湍流。柱坐標(biāo)下的控制方程如下：

式中：U為空氣流速，m/s；r和x為柱坐標(biāo)徑向及水平方向，m；ρ為空氣密度，kg/m3；p 為壓強(qiáng)，Pa；fr為體積力，N，不計(jì)；ν為運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s。

閥內(nèi)氣流流動(dòng)為充分發(fā)展湍流，標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型對(duì)于充分發(fā)展湍流能夠有良好的適用性，因此采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型[6～7]。數(shù)值方法采用基于有限體積法的SIMPLE算法聯(lián)立求解各離散方程，離散方式采用二階迎風(fēng)格式計(jì)算以保證具有良好的計(jì)算精度。

1.2 數(shù)值方法驗(yàn)證

后臺(tái)階物理模型用于數(shù)值方法的驗(yàn)證已得到廣泛認(rèn)可，且后臺(tái)階流動(dòng)的繞流機(jī)理與調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的繞流類似，因此選擇后臺(tái)階流動(dòng)對(duì)擬采用的數(shù)值方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1）物理模型及數(shù)值邊界條件

建立如圖1所示的三維計(jì)算域[8]，上游通道高度H=470 mm，臺(tái)階高度 h=30 mm，通道寬度 W=300mm，臺(tái)階距來(lái)流入口LL=3000mm。計(jì)算域采用六面體網(wǎng)格，在邊界及臺(tái)階處細(xì)化，來(lái)流區(qū)域與出流區(qū)域相對(duì)稀疏，圖2為XY截面示意圖，采用的網(wǎng)格數(shù)量是8×105。入口為速度入口（均勻來(lái)流），出口為自由出流，臺(tái)階及其他壁采用固壁無(wú)滑移條件。

圖1 后臺(tái)階計(jì)算域模型

圖2 Z=150 mm截面網(wǎng)格示意圖

2）數(shù)值模擬結(jié)果及分析

選取Z=150mm截面流線圖如圖3（a），流場(chǎng)在臺(tái)階下角落處有渦產(chǎn)生，其他區(qū)域分布均勻。取臺(tái)階前5mm處y方向Vx值與實(shí)驗(yàn)值[8]作比，如圖3（b）所示，二者基本重合。取臺(tái)階下游壁面摩擦應(yīng)力并擬合曲線如圖3（c），得出再附點(diǎn)距臺(tái)階Xr/h=4.71，其中模擬值，文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果為Xr/h=4.98。二者相對(duì)誤差為4.8%，模擬結(jié)果與文獻(xiàn)吻合良好，說(shuō)明所采用的數(shù)值方法具有良好的可靠性。

圖3 后臺(tái)階流動(dòng)模擬結(jié)果

2 對(duì)稱閥芯滑動(dòng)式調(diào)節(jié)閥

2.1 物理模型及邊界條件

對(duì)稱閥芯滑動(dòng)式調(diào)節(jié)閥及其進(jìn)出口管道的子午面、坐標(biāo)系原點(diǎn)（閥中心）如圖4所示。閥內(nèi)流體由左側(cè)流進(jìn)，閥芯可順逆流兩方向移動(dòng)且閥芯行程一致。計(jì)算域由管壁、閥體、閥芯、軸中心線、速度入口、自由出流等邊界圍成。其中L1與L3為進(jìn)出口管道且長(zhǎng)度分別為5D、10D，管道直徑為D。L2部分為調(diào)節(jié)閥且由閥體、閥芯組成。進(jìn)出口通道長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)是為了考慮到流態(tài)的充分發(fā)展。模擬了調(diào)節(jié)閥處于不同閥芯位移l/D及不同Re下的流場(chǎng)分布。特征長(zhǎng)度取入口管徑，速度為入口速度，流體介質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)空氣。

圖4 調(diào)節(jié)閥與管道的子午面示意圖

計(jì)算區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格與三角形網(wǎng)格并用，在調(diào)節(jié)閥節(jié)流部分細(xì)化，來(lái)流區(qū)域與出流區(qū)域相對(duì)稀疏，如圖5所示。采用的網(wǎng)格數(shù)量為1.1×105。入口為速度入口（均勻來(lái)流），出口為自由出流，閥芯表面，閥體表面及管道表面邊界條件為固壁無(wú)滑移，下邊界為對(duì)稱軸。

圖5 調(diào)節(jié)閥與管道的子午面網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.2.1 流場(chǎng)分析

選取Re=89621時(shí)不同l/D及l(fā)/D=-0.14時(shí)不同Re的流場(chǎng)，如圖6所示。圖中l(wèi)為閥芯移動(dòng)位移，X為軸橫坐標(biāo)。閥芯處于原點(diǎn)時(shí)l/D=0，順流移動(dòng)時(shí)，l/D值為正。由圖可知，當(dāng)—l/D—值不變時(shí)，流動(dòng)處于自模狀態(tài)，流場(chǎng)與Re無(wú)關(guān)。當(dāng)l/D=0時(shí)，流場(chǎng)分布均勻。閥芯偏離原點(diǎn)后，流場(chǎng)與閥芯移動(dòng)方向有關(guān)。在逆流移動(dòng)過(guò)程中，l/D到達(dá)一定值后，在閥體的中心部位開(kāi)始有渦產(chǎn)生且渦隨著—l/D—增大而增大。在順流移動(dòng)過(guò)程中，l/D到達(dá)一定值后，流場(chǎng)開(kāi)始在節(jié)流口后管壁周圍出現(xiàn)漩渦,繼續(xù)向右移動(dòng)發(fā)現(xiàn)，閥體靠左部位也有渦產(chǎn)生且渦隨著—l/D—值增大而增大。

定義當(dāng)閥芯逆流移動(dòng)時(shí)，流體流向?yàn)榱鏖_(kāi)式。當(dāng)閥芯順流移動(dòng)時(shí)，流體流向?yàn)榱鏖]式。由于調(diào)節(jié)閥在流體流動(dòng)方向?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，閥芯順流移動(dòng)相當(dāng)于閥芯逆流移動(dòng)的同時(shí)改變流體流向。圖中在相同的—l/D—下順逆流的流場(chǎng)不同，說(shuō)明流體流向?qū)φ{(diào)節(jié)閥流場(chǎng)有一定影響。分析原因，流體流向的不同對(duì)流場(chǎng)的影響主要表現(xiàn)在流場(chǎng)流道的不同，當(dāng)閥芯逆流移動(dòng)時(shí)，流場(chǎng)流道為先漸縮后漸擴(kuò)，當(dāng)閥芯順流移動(dòng)時(shí)則表現(xiàn)為先漸擴(kuò)后漸縮。

圖6 不同閥芯位移l/D不同Re下流場(chǎng)分布

2.2.2 閥芯表面壓力分布

從計(jì)算結(jié)果中提取不同l/D不同Re下閥芯壁面壓力繪成曲線如圖7。a、b、c、d、e表示同一l/D下不同Re的閥芯壁面壓力分布曲線，f則表示同一Re下不同l/D下的閥芯表面壓力分布曲線。由圖可知，當(dāng)l/D一定時(shí)，閥芯表面壓力分布隨著Re增大不均勻性加劇。當(dāng)Re一定，閥芯順逆流移動(dòng)具有相同—l/D—值時(shí)，閥芯壁面壓力分布規(guī)律相似但有所不同，具體表現(xiàn)在極值點(diǎn)位置不變但大小上逆流移動(dòng)大于順流。閥芯表面始終存在壓力極值點(diǎn)A、B點(diǎn)（如圖4），且最大壓力A始終處于閥芯迎流的最極端部位，最小壓力B處于閥芯表面拐角，且均與l/D，Re值無(wú)關(guān)。

圖7 對(duì)稱閥芯表面壓力在X方向分布曲線

3 錐狀閥芯滑動(dòng)式調(diào)節(jié)閥

3.1 物理模型及邊界條件

調(diào)節(jié)閥及其進(jìn)出口管道的子午面、坐標(biāo)系原點(diǎn)（閥中心）如圖8所示。閥內(nèi)流體由左側(cè)流進(jìn)，閥芯沿順流方向移動(dòng)。計(jì)算域，組成部分L1，L2，L3及邊界條件與對(duì)稱閥芯調(diào)節(jié)閥表示一致。計(jì)算區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格與三角形網(wǎng)格并用，如圖9所示，網(wǎng)格數(shù)量為1.1×105。

圖8 調(diào)節(jié)閥與管道的子午面示意圖

圖9 調(diào)節(jié)閥與管道的子午面網(wǎng)格劃分

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.2.1 流場(chǎng)分析

給出如圖10所示Re=89621時(shí)不同閥芯位移l/D流線圖。閥芯處于原點(diǎn)時(shí)l/D=0，為全開(kāi)狀態(tài)。閥芯向右移動(dòng)，l/D逐漸增大。由圖可知，流場(chǎng)中始終有渦流產(chǎn)生。當(dāng)l/D=0時(shí)，流場(chǎng)在閥體壁面拐角處有渦產(chǎn)生。隨著l/D逐漸增大，流場(chǎng)渦流區(qū)域逐漸增大且位置保持不變。l/D增大至一定值后，在節(jié)流口下管壁周圍開(kāi)始出現(xiàn)漩渦。分析原因，隨著l/D逐漸增大，閥芯上流流道漸擴(kuò)下流流道漸縮，從而導(dǎo)致流場(chǎng)不均勻性增強(qiáng)，渦流區(qū)域增大數(shù)量增多。

圖10 Re=89621時(shí)不同l/D下流場(chǎng)分布

3.2.2 閥芯表面壓力分布

圖11分別為六種不同閥芯位移l/D值下的閥芯表面在X方向的壓力分布曲線。由圖可知，閥芯表面壓力分布隨著Re的增大壓力分布不均勻性加劇。隨著l/D值逐漸增大，閥芯表面始終存在壓力極值點(diǎn)A、B點(diǎn)，且最大壓力A始終處于閥芯迎流的最極端部位，最小壓力B處于閥芯表面拐角處，且均與l/D，Re值無(wú)關(guān)。

圖11 錐狀閥芯表面壓力在X方向分布曲線

4 結(jié)論

1）流場(chǎng)受開(kāi)度及流體流向影響，同一開(kāi)度下流開(kāi)型流場(chǎng)比流閉型要平緩。相同流體流向下流場(chǎng)隨著開(kāi)度減小而逐步出現(xiàn)漩渦，渦流隨開(kāi)度減小而增大。

2）閥開(kāi)度一定時(shí)，流體流向及Re對(duì)閥芯壁面壓力分布均有影響。流開(kāi)型流向的壁面壓力比流閉型要大，閥芯表面的壓力分布曲線隨著Re的增大震蕩性加劇。

3）閥芯壁面存在壓力極值點(diǎn)A、B且位置不隨開(kāi)度改變而改變，最大壓力點(diǎn)A始終處于閥芯迎流的最極端部位，最小壓力點(diǎn)B始終處于閥芯壁面拐角處。

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