Flow Simulation在控制閥流場(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

FlowSimulation在控制閥流場(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用作者：東方電氣自動(dòng)控制有限公司譚杰在工程中我們會(huì)經(jīng)常遇到需要較為精確控制流量的場(chǎng)合，這時(shí)，各個(gè)控制閥門所控制的流量要求按較為嚴(yán)格的比例關(guān)系向下游設(shè)備提供所需的流體流量，以保證生成產(chǎn)物的品質(zhì)，并減小原料的浪費(fèi)，減輕下游分離回收設(shè)備的工作負(fù)荷?？刂崎y本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性決定了控制流量的精確程度，這是一個(gè)大的系統(tǒng)問題。控制閥過流部分的流場(chǎng)特性對(duì)控制流量的精確程度會(huì)有比較大的影響，同時(shí)也影響著控制回路的設(shè)計(jì)，本文針對(duì)FlowSimulation在控制閥的過流部分設(shè)計(jì)所起到的指導(dǎo)作用進(jìn)行重點(diǎn)闡述。計(jì)算模型如圖1。0111lEt圖1模型忽略了其他的零部件，重點(diǎn)突出了閥芯與流體邊界：介質(zhì)為干燥的空氣，進(jìn)口平均速度為5m/s;出口壓力受下游設(shè)備容積和反應(yīng)動(dòng)力平衡等因素的影響，是一個(gè)變化的數(shù)值，為簡(jiǎn)化說明，近似為1.1個(gè)大氣壓;氣體進(jìn)口溫度約為350K。邊界為沒有熱傳遞的絕熱墻,表面粗糙度0.02mm，絕熱墻材料為304不銹鋼，如圖2。圖2在模型完成后，就可以確定流體的邊界了：利用SolidWorks提供的在進(jìn)口和出口處加蓋的方法，就可以方便地確定出內(nèi)部流體的范圍。從初始條件可以看出：氣體介質(zhì)的平均流速不高，在氣體運(yùn)動(dòng)速度小于0.3馬赫時(shí)，不考慮氣體的可壓縮性，因此認(rèn)為是剛性的。且在進(jìn)入控制閥以前有一段較長(zhǎng)的管道，氣體在管道中的速度分布發(fā)展比較完全。在進(jìn)入閥芯以前可以近似認(rèn)為速度是均勻的。對(duì)初始條件的預(yù)判斷是很重要的，在流體分析中，包括牛頓流體與非牛頓流體，進(jìn)口和出口位置的選擇對(duì)整個(gè)分析是有影響的，因?yàn)楫?dāng)流體遇到要迫使其改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物體后，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)有一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)展階段，這個(gè)調(diào)整過程如圖3所示。因此在選擇計(jì)算模型時(shí)，要確定出一個(gè)比較理想的位置——能包括整個(gè)完整調(diào)整發(fā)展長(zhǎng)度，這樣才可以得出一個(gè)比較準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)然一次計(jì)算無法確定理想的邊界位置，需要多次計(jì)算。圖3另一個(gè)需要確定的參數(shù)，是在進(jìn)口處的紊流擾動(dòng)程度，一般是根據(jù)不同的應(yīng)用在1%?5%之間取值，F(xiàn)lowSimulation默認(rèn)的系數(shù)為2%，這個(gè)系數(shù)和入口的形狀、邊界墻的粗糙度等均有關(guān)系，同時(shí)還與前面講到的上游流體的調(diào)整長(zhǎng)度也有關(guān)系，對(duì)于此次計(jì)算的模型，因?yàn)槭菆A形進(jìn)口，同時(shí)考慮到擾動(dòng)的產(chǎn)生和發(fā)展長(zhǎng)度，筆者認(rèn)為取3.8%比較有計(jì)算效率。在定義進(jìn)口與出口初始條件時(shí)，一般地，對(duì)進(jìn)口要給定速度流量或質(zhì)量流量，出口要給定一個(gè)靜態(tài)壓力，這樣是比較合理的，特別是對(duì)于可壓縮流體來說，質(zhì)量是守恒的，也可以避免計(jì)算結(jié)果的沖突。設(shè)定如圖4所示。0O0PrtiUJa,[-hfilMrflluieVetocrvinVdrectiofiThefniiodyibjfihii:PjranHt-crsYab?U沿E^lrwlT的0O0PrtiUJa,[-hfilMrflluieVetocrvinVdrectiofiThefniiodyibjfihii:PjranHt-crsYab?U沿E^lrwlT的VMiW-円円0展則電Yetocr*'mKdredcr.amAriHfcJeftcerten3at,|i,■sndknj^ha mruifeinii：*rtmfty圖4在流體的范圍和初始條件確定后，系統(tǒng)將生成網(wǎng)格。在流體計(jì)算中，一般認(rèn)為六面體或四邊形的計(jì)算網(wǎng)格比四面體或三邊形計(jì)算精度高，特別是在相對(duì)復(fù)雜的模型中更是如此。但是六面體或四邊形的網(wǎng)格劃分比四面體或三邊形的網(wǎng)格劃分耗時(shí)長(zhǎng)，因此要根據(jù)具體的情況合理選擇網(wǎng)格劃分類型。因?yàn)橛糜诜治龅哪Ｐ捅旧硎翘幚磉^的，不存在窄縫及小網(wǎng)格劃分的情況，這樣可以避免計(jì)算機(jī)花較長(zhǎng)的時(shí)間去處理不必要且不會(huì)影響計(jì)算精度的小特征提高網(wǎng)格劃分效率。計(jì)算完成的結(jié)果如圖5和圖6所示，其中，壓力分布情況如圖5所示，速度分布情況如圖6所示。H-Ml$:料血I-1□喚3J費(fèi)iH-Ml$:料血I-1□喚3J費(fèi)i則HIM6盯3Z1時(shí)?omt-coo8jru-ws*丹珥啲i除此之外，在現(xiàn)實(shí)工程中，氣體中會(huì)有一些固體顆粒，這些固體顆粒懸浮在氣體中，以10?50pm的顆粒為主，質(zhì)量流量為0.002kg/s。固體顆粒在氣體中受重力、浮力以及流體對(duì)固體顆粒的擾動(dòng)力，另外在固體顆粒質(zhì)量濃度不同的情況下，還要考慮固體顆粒之間的互相碰撞。對(duì)于此次分析，在氣體流動(dòng)速度不高，雷諾數(shù)不大，氣體內(nèi)基本無擾動(dòng)，屬于層流因此可以先假設(shè)固體顆粒是均布于整個(gè)氣體空間且與氣體分子擁有一致的速度矢量——當(dāng)然這樣的假設(shè)是否正確還需要在分析結(jié)果出來后進(jìn)一步評(píng)估。這些顆粒在控制閥內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況如圖7所示。QJtBtatQQfl1站汕+幽l■QQooe皿|ER■-巧圖7綜合以上的分析結(jié)果，可以進(jìn)一步得出閥芯再次開啟時(shí)所受到的靜態(tài)氣動(dòng)力和動(dòng)態(tài)氣動(dòng)力分布，這些參數(shù)對(duì)于確定閥門控制元件參數(shù)起指導(dǎo)作用。同時(shí)，固體顆粒對(duì)閥芯所形成侵蝕也可以確定，為下一步選擇閥芯材料及熱處理工藝提供依據(jù)。因?yàn)槟Ｐ驮谒徒环治鰰r(shí)，已經(jīng)做過了簡(jiǎn)化，這樣的簡(jiǎn)化是不是合理還需要進(jìn)一步評(píng)估。如圖8所示，從以上的分析結(jié)果來看，閥芯后的流體速度不會(huì)是這樣的，因?yàn)檫@里有閥芯的支持零部件，因此需要進(jìn)一步評(píng)估簡(jiǎn)化模型帶來的影響。FlowSimulation可以幫助設(shè)計(jì)人員在很短的時(shí)間內(nèi)，對(duì)產(chǎn)品的特性做一個(gè)全面的了解，提供有價(jià)值的指導(dǎo)性意見，當(dāng)然軟件不是萬能的，它仍然需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)自己所掌握的理論知識(shí)