截止閥流場的數(shù)值模擬

1截止閥流場的數(shù)值模擬流場模擬的作用流場的兩種形式①層流（或滯流）：流體質(zhì)點(diǎn)僅沿著與管軸平行的方向作直線運(yùn)動，質(zhì)點(diǎn)無徑向脈動，質(zhì)點(diǎn)之間互不混合。層流是流體的一種流動狀態(tài)，流體在管內(nèi)流動時(shí)，其質(zhì)點(diǎn)沿著與管軸平行的方向作平滑直線運(yùn)動。此種流動稱為層流或滯流，亦有稱為直線流動的。流體的流速在管中心處最大，其近壁處最小。管內(nèi)流體的平均流速與最大流速之比等于0.5,根據(jù)雷諾實(shí)驗(yàn)，當(dāng)雷諾準(zhǔn)數(shù)引Re<2320時(shí)，流體的流動狀態(tài)為層流。粘性流體的層狀運(yùn)動。在這種流動中，流體微團(tuán)的軌跡沒有明顯的不規(guī)則脈動。相鄰流體層間只有分子熱運(yùn)動造成的動量交換。常見的層流有毛細(xì)管或多孔介質(zhì)中的流動、軸承潤滑膜中的流動、繞流物體表面邊界層中的流動等。②湍流（或紊流）：流體質(zhì)點(diǎn)除了沿管軸方向向前流動外，還有徑向脈動，各質(zhì)點(diǎn)的速度在大小和方向上都隨時(shí)變化，質(zhì)點(diǎn)互相碰撞和混合。湍流是自然界非常普遍的流動類型，湍流出現(xiàn)在速度變動的地方。這種波動會使流體介質(zhì)之間相互交換動量、能量和濃度變化，而且引起了數(shù)量的波動。湍流運(yùn)動的特征是在運(yùn)動過程中液體質(zhì)點(diǎn)具有不斷的互相混摻的現(xiàn)象，速度和壓力等物理量在空間和時(shí)間上均具有隨機(jī)性質(zhì)的脈動值。但對于湍流，如果直接求解三維瞬態(tài)控制方程，需要采用對計(jì)算機(jī)內(nèi)存和速度要求很高的直接模擬方法，但目前還不可能在工程中采用此方法。工程中廣為采用的方法是對瞬態(tài)N-S方程作時(shí)間平均處理，同時(shí)補(bǔ)充反映湍流特性的其他方程，如湍動能方程和湍流耗散率方程等。湍流帶有旋轉(zhuǎn)流動結(jié)構(gòu)，這就是所謂的湍流渦（turbulenteddies），簡稱渦。從物理結(jié)構(gòu)上看，可以把湍流看成是由各種不同尺度的渦疊合而成的流動，這些渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機(jī)的。大尺度的渦主要由流動的邊界條件所決定，它的尺寸可以與流場的大小相比擬，它主要受慣性影響而存在，是引起低頻脈動的原因；小尺度的渦主要是由粘性力所決定的，其尺寸可能只有流場尺度的千分之一的量級，是引起高頻脈動的原因。大尺度的渦破裂后形成小尺度的渦，較小尺度的渦破裂后形成更小尺度的渦。在充分發(fā)展的湍流區(qū)域內(nèi)，流體渦的尺寸可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)連續(xù)不斷變化。大尺度渦不斷地從主流獲得能量，通過渦間的相互作用，能量逐漸向小尺寸的渦傳遞。最后由于流體的粘性作用，小尺度的渦不斷消失，機(jī)械能就轉(zhuǎn)化（或稱耗散）為流體的熱能。同時(shí)由于邊界的作用、擾動及速度梯度的作用，新的渦旋又不斷產(chǎn)生，這就構(gòu)成了湍流運(yùn)動。流體內(nèi)不同尺度的渦的隨機(jī)運(yùn)動造成了湍流的一個(gè)重要特點(diǎn)，物理量的脈動［25］。不同流場形式對截止閥的影響層流是理想的流動方式，層流對截止閥壁不會有很大的影響。層流時(shí)閥道僅僅受液體靜壓力。但是由于在閥道中存在拐角、溝槽，因此在閥道中是湍流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果表明截止閥水流易產(chǎn)生分離流、回流、二次流和渦旋，這些水流狀況是引起水頭損失的主要因素。這些不規(guī)則的流動會沖擊截止閥的流道，如果長期處于這種狀況下，閥壁可能會因沖蝕的原因變薄，厚度過薄可能會導(dǎo)致泄漏、斷裂等失效的發(fā)生［26］。當(dāng)介質(zhì)流經(jīng)截止閥時(shí)，會產(chǎn)生漩渦、氣穴、和死水區(qū)等水流現(xiàn)象，這些現(xiàn)象嚴(yán)重影響和危害管道的工況，產(chǎn)生振動、噪聲和水頭損失。目前對閥門流動特性的研究尚未引起足夠的重視，基本上還是依據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品，不注重對閥道中壓頭損失的研究。本文采用UG模擬截止閥閥道里的流體流動形態(tài)，得出閥體內(nèi)部流體在穩(wěn)定流動時(shí)的流動形態(tài)，為降低水頭損失設(shè)計(jì)和閥道結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)［27-28］。流場模擬的作用表現(xiàn)在：①能對流體在復(fù)雜的閥體內(nèi)部的流動形態(tài)進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)；②能設(shè)想各種不同方案，觀察這些方案對流體的流動形態(tài)產(chǎn)生的影響；③能反映不同方案間的相互關(guān)系，說明哪個(gè)方案更好，如何影響其他方案和整個(gè)系統(tǒng)；④能檢驗(yàn)閥體模型的假設(shè)，改進(jìn)閥體的結(jié)構(gòu)。截止閥流場的數(shù)值模擬流場數(shù)學(xué)模型的假設(shè)(1)截止閥閥內(nèi)工質(zhì)分別選用水(理論上采用何種物質(zhì)作為流體都不會影響到數(shù)值模擬的正確性)為研究對象，且該工質(zhì)為不可壓縮連續(xù)的理想流體，屬于牛頓湍流流體；(2)忽略工作過程中系統(tǒng)的擾動和振動的影響，忽略低壓區(qū)氣蝕現(xiàn)象的產(chǎn)生；(3)因?yàn)殚y體和閥芯對整個(gè)流場的影響很小可忽略，所以假設(shè)工質(zhì)與閥體內(nèi)壁、閥芯表面無熱傳導(dǎo)、無滑移［29］。流場幾何模型的建立流場模型的建立需要運(yùn)用布爾運(yùn)算，Boolean(布爾運(yùn)算)通過對兩個(gè)以上的物體進(jìn)行并集、差集、交集的運(yùn)算，從而得到新的物體形態(tài)。系統(tǒng)提供了4種布爾運(yùn)算方式：Union（并集）、Intersection（交集）和Subtraction（差集，包括A-B和B-A兩種）。物體在進(jìn)行布爾運(yùn)算后隨時(shí)可以對兩個(gè)運(yùn)算對象進(jìn)行修改操作，布爾運(yùn)算的方式、效果也可以編輯修改，布爾運(yùn)算修改的過程可記錄為動畫，形象直觀的表現(xiàn)出處理過程［30］。圖4-1流場模型Fig.4-1Flowfieldsimulation流場模型的網(wǎng)格劃分UG曲面網(wǎng)格劃分程序算法流程如下：UG利用商用軟件的網(wǎng)格劃分功能在UG/OpenAPI中提供了一些生成有限元網(wǎng)格的函數(shù)。因此，在曲面網(wǎng)格劃分程序的開發(fā)中就不必從底層開發(fā)，而是在UG平臺上直接調(diào)用相應(yīng)的UG內(nèi)部函數(shù)來對復(fù)雜的UG曲面模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而產(chǎn)生所需要的網(wǎng)格，以提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和效率。調(diào)用UG內(nèi)部函數(shù)對一個(gè)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，至關(guān)重要的就是需要首先創(chuàng)建一個(gè)該部件的場景（Scenario）。該場景就相當(dāng)于一個(gè)裝件，具有了一個(gè)指向原部件的指針。同時(shí)還要求原部件必須既是顯示部件（DisplayPart）是工作部件（WorkPart）。在加載曲面網(wǎng)格劃分系統(tǒng)用戶界面之前，必須事先存在（打開或者創(chuàng)建）一個(gè)活動部件（Activepart）。本系統(tǒng)要求存在一個(gè)包含so1idbody或sheetbody的對象。以便于選擇面（或曲面）進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在使用本系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分前，首先需要選擇網(wǎng)格劃分的對象（一個(gè)或多個(gè)面）。并獲得這些對象的原型，然后創(chuàng)建一個(gè)場景（Scenario）文件。在一個(gè)部件文件下?？梢源嬖诙鄠€(gè)場景文件。但是這些場景文件的文件名稱不能相同。其次，把用戶從界面上輸入的網(wǎng)格控制參數(shù)和獲得的對象事件的標(biāo)識輸入到網(wǎng)格劃分函數(shù)，就可以產(chǎn)生用戶所需要的網(wǎng)格。最后保存網(wǎng)格模型，圖形顯示網(wǎng)格并按不同的要求輸出單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)［31-33］。劃分好的網(wǎng)格如圖4-2，網(wǎng)格信息如圖4-3。

IK.圖4-2流場的網(wǎng)格模型Fig.4-2Gridmodelofflowfield表4-1網(wǎng)格信息Tab.4-1GridInformation網(wǎng)格類型網(wǎng)格信息名稱

網(wǎng)格類型網(wǎng)格信息名稱

網(wǎng)格類型

網(wǎng)格中的單元數(shù)

Tetra4個(gè)單元3d_mesh(1)3D9613310流場的流邊界條件圖4-3介質(zhì)流入Fig.4-3Flutein介質(zhì)流入如圖4-3,需要設(shè)置參數(shù)升壓，截止閥的公稱使用壓力為4.0MPa,設(shè)置為4.0MPa。參數(shù)選項(xiàng)卡的設(shè)置如圖4-4所示，選擇對象是閥體的流入面，幅值模式選擇升壓，升壓表達(dá)式的大小為4.0MPa。

流入?yún)?shù)設(shè)置圖Fig.4-4Flow-inparameters流入?yún)?shù)設(shè)置圖Fig.4-4Flow-inparameters設(shè)置壓力后再設(shè)置流速，查閱相關(guān)資料可設(shè)置流速如圖4-5,流速為3.5m/s。圖4-5流速Fig.4-5Velocityofflute進(jìn)口端設(shè)置好壓力和流速后，參數(shù)已確定。介質(zhì)出口端的參數(shù)設(shè)置類似，因?yàn)檎麄€(gè)閥體是封閉的，所以流入速度等于流出速度，都為3.5m/s。編輯解算方案設(shè)置如圖4-6,運(yùn)行目錄為“指定”，湍流的模型為“K-Epsilon”。

圖4-6結(jié)算方案圖4-6結(jié)算方案Fig.4-6SolutionProgramme流場模擬結(jié)果分析流速分析流速的結(jié)果如圖4-7所示。從圖4-7中可以看出，流體速度最大值可以達(dá)到5.286m/s,流速最大點(diǎn)在圖4-7中的紅點(diǎn)處，在密封圈位置處。流速最小值為0.158m/s,在閥體的上腔部位。nrn晨riirii□□■am.皿?□□ED4I_5BBb-iODZ?m-l：5,Z3&QTDD3,fe，二cc_5.ZB6e*0M4,Q59etOl>34￡.4j?e*aM4r0D^e+0M3.577etOi>33r.l5Qis+Qi537-7Z3etO[53?^95e*0Wl麻日。?口0」I,44Jb+003I.^ojae+OG-a.s.^eiDtOS?圖4-7流速分布Fig.4-7Velocitydistribution靜壓力

rr-5ijfiil5?Pfln5_?_Sim|：SoIlAiqti2Re&U11i”口IiII匕iI■rri-OlLD.,l￡D,山BEl.aE*rDuO,cm：口口TOO口、N/rrT/1Z[r#3oJRd?KiQ日tQ003.美了口tDOD3.3aE=+C*0D3.3S3s+EMD2-9SDe+KiD口.口7200。J.9電十3.3aE=+C*0D3.3S3s+EMD2-9SDe+KiD口.口7200。J.9電十g)3^72e*OT0三；￡口父酬口.九■尹?、鐖D4-8靜壓力分布Fig.4-8Staticpressuredistribution靜壓力的分析結(jié)果如圖4-8所示。從圖4-8可以看出，靜壓力最大值為4.0MPa。由于閥體內(nèi)部的不規(guī)則形狀，會出現(xiàn)壓降，所以壓力最低值為3.96MPa,壓降很小。流體在管中流動時(shí)由于能量損失而引起的壓力降低，這種能量損失是由流體流動時(shí)克服內(nèi)摩擦力和克服湍流時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)間相互碰撞并交換動量而引起的，表現(xiàn)在流體流動的前后處產(chǎn)生壓力差，即壓降。壓降的大小隨著管內(nèi)流速變化而變化。在空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)管內(nèi)光滑程度，連接方式是否會縮孔截流也會影響壓降。1.3.3總壓力總壓力的分析結(jié)果如圖4-9所示。由圖4-9可以看出，總壓力的最大值為4.0MPa，在進(jìn)口的位置處。由于壓降的原因，最小值為3.96MPa，最小值區(qū)域在接近出口的下坡位置。3.5T76KK-33.5T76KK-3■T>QdeILi_rI_sIrn!；SoIwtionzRffSiJ11LULUI-11lllIilDinnrri.nm.niHI5史e+UgDCD：^rCCletOTQ.N/。腔eMPq.ii.ggEferOOD3tg95=rOOD3.093&I-OOOa.agterooo3.907s3.9Q4*i-QC03h90?c-OOD3.979**-aOD3.97&erClOD3t073=i-O(?Di97lsrOOO'3%俁［Q。。圖4-9總壓力分布Fig.4-9Totalpressuredistribution1.3.4流線打開后處理視圖選項(xiàng)卡，顏色顯示改為箭頭，得到圖4-10所示。流0動方向Fig.4-10Flowdirection由圖4-10可看出，在流場的上部出現(xiàn)漩渦。截取Y平面的視圖，可得圖截面視圖4-11所示。

流