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基于ANSYS的閘閥阻力系數研究
 

無論是在流體機械還是在流體傳動與控制系統中,都會用到各式各樣的閥門,這些閥門裝置的主要功能是對流體的流量、壓力和流動方向進行調節和控制,以滿足工作系統的要求。該過程中要求閥門控制可靠、阻力小、損失少。21世紀以前,對各類閥門尤其是閥門流道流動特性的研究尚未引起重視,在設計中基本上還是依據常規設計方法和經驗,只考慮結構型態而不考慮流阻損失,從而引起較大的能耗。近年來,隨著計算流體動力學(CFD)和計算機技術的飛速發展,數值模擬手段廣泛應用于流體內部復雜流動的研究上。筆者對閘閥的阻力特性進行了研究,通過ANSYS軟件的FLOTRANCFD工具模擬了閘閥內部的流場。閥門單位:上海劍閥閥門有限公司
    1 模型與數值方法
    筆者主要研究的是閘閥內部流場,簡化閘閥原型,使得閘閥通道為圓形通道,閘板為平板閘板。因此只需建立帶有閘板的閘閥通道模型,閘閥的CFD模型與實物呈1∶1,以閘閥左下端點為原點,建立直角坐標系,其幾何模型如圖1所示(以閘板開度50%為例)。

圖1 平行式單閘板閘閥幾何模型

    采用閥門的進口速度和進口壓強作為進口的邊界條件,在絕對參考系下給定一均勻來流,方向垂直于進口面,速度大小分別為1、2、3、4、5m/s,強度和水力直徑由公式推導出,進口表面壓強為2kPa;出口邊界采用自由出流,由于全部流場只有一個出口,其出口表面壓強設為0;由于在固壁處質點滿足無滑移邊界條件,設壁面速度為0。
    筆者根據閘閥的特點,采用k-ε二方程湍流模型,選用ANSYS軟件的流體動力學分析類型進行分析,借助專用于分析二、三維流體流動場的先進工具———ANSYS軟件的FLOTRANCFD工具分析計算了閘閥的內部流場特性。
    2 計算結果及閘閥阻力系數的計算
    當水溫為20℃時,其密度為998.2kg/m3,粘度為100.5μPa·s。當閘閥內徑為DN50mm,開度分別為10%、20%、25%、35%、45%、50%、60%、75%、100%,進口速度分別為1、2、3、4、5m/s時,模擬計算出閘閥內部的節點壓力場分布(圖2)。

圖2 閘閥內部的節點壓力場分布

    根據流體力學理論可知,閥門的阻力特性定義為:
    
    式中  Δp———閥門前后的壓差,Pa;
    ξ ———閥門的阻力系數;
    u———橫截面處的平均流速,m/s;
    ρ———流體的密度,kg/m3。
    從圖2中可以清楚地讀出最低靜壓值,算出最低靜壓值與進口壓強差,進而算出閘閥的阻力系數。
    當進口表面壓強為2kPa,進口速度一定時,作閘閥阻力系數隨開度的變化曲線(圖3)。從圖3可以看出,當進口速度一定時,隨著閘閥開度的不斷增大,其阻力系數減少。當閘閥開度一定時,隨著進口速度的不斷增大,其阻力系數減少。

圖3 進口速度一定時閘閥阻力系數隨開度的變化

    對不同管徑(DN25、DN100、DN200)的閘閥分別進行了模擬,并與DN50的閘閥模擬結果進行了對比分析。當進口速度為3m/s,進口表面壓強為2kPa,閘閥內徑一定時,作閘閥阻力系數隨開度的變化曲線(圖4)。從圖4可以看出,當閘閥內徑一定時,隨著閘閥開度的增加,閘閥阻力系數減少。當閘閥開度一定時,隨著閘閥內徑的增大,閘閥阻力系數也是增大。

圖4 內徑一定時閘閥阻力系數隨開度的變化曲線

    3 結束語
    應用有限元體積法和ANSYS軟件對閘閥的內部流場特性進行了分析,由分析可知,閘閥的阻力系數不僅與開度、進口速度有關,還與閘閥管徑有關;不同管徑的閘閥,在同一開度、進口速度下的阻力系數不同。同時,利用ANSYS軟件進行閥門內流場的分析方法基本可靠。

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