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三角口旋塞调节阀流量特性曲线数值模拟
三角口旋塞调节阀流量特性曲线数值模拟

摘 要:采用Fluent软件,模拟了三角口旋塞调节阀不同开度时的稳态流场,得到了不同开度的阀门流量和相应的KV值及流量特性曲线,分析了调节阀内流场的参数分布与阀门特性相对应的关系。

关键字:调节阀 旋塞 流量系数 Fluent KV值 流量特性曲线


1 概述

调节阀的流量特性曲线是阀门设计和选型的依据,通常需要用试验的方法获取。随着现代计算流体力学的(CFD)的发展,通过CFD数值模拟,不仅可以获得流量特性曲线,而且能够获得流场的局部特征,为调节阀的设计和结构优化提供参考。本文对三角口旋塞调节阀进行CFD模拟计算,得到其流量特性曲线,并对其流场特征进行分析。

2 建模与计算

2.1 模型

计算模型为带衬套的2in.(50mm)调节阀(图1),塞子通道孔为三角形(图2),其KV=30.0。

图1 阀门

图2 塞子

利用UGNX8.0生成该阀门的流道,阀门入口法兰延伸2倍直径长度,阀门出口法兰延伸10倍直径长度(图3)。用FLUENT前处理软件ICEM画非结构网格,全开流道网格总数为843558,节点数为143958,网格质量在0.3以上。

图3 阀门全开流道

2.2 计算

用Fluent软件计算,选取稳态求解,一阶精度,k-epsilon两方程模型,并采用三组数据取平均值的方法得到KV值(表1)。阀门内介质为水,密度为998.2kg/m3,粘性系数为0.001003kg/(m·s)。

表1 出入口条件         kPa

3 分析

3.1 流量特性

选定阀门的8个开度,分别进行3组稳态模拟计算,得到每个开度的平均KV值(表2)及阀门的流量特性曲线(图4)。

表2 流量特性

图4 流量特性

从阀门开度分析,随着开度的减小,流量减小,流通能力变小,KV值减小,静压损失变大,阀门节流后产生的漩涡加剧,甚至产生回流。通过和阀门实际使用过程对比,流量特性曲线满足阀门的可控制区间,即阀门开启17°时开始有流体通过,85°时全部流通。

3.2 流场特性

以阀门的入口总压力为550kPa,出口压力为500kPa为例,分别得到阀门90°、60°和30°开度的对称面上的速度分布云图和速度等值线。

阀门开启90°时(图5),由于塞子的流通孔为三角形,流体流过阀门时所受阻滞作用较大,入口静压很大,而阀门逆流侧压力较低,在塞子出口形成高速射流,在塞子右下侧和右上侧均形成漩涡。漩涡是由于高速射流与阀体逆流侧低速流体剪切作用形成,漩涡一直影响到出口。因为流道足够长,流场得到充分的发展,在入口部分的流速和出口部分的流速大致相同,此时阀门流量系数最大,流通能力最强,并对应流量特性曲线的全开位置。

(a)对称面上的速度云图      (b)Y=0截面上的速度矢量图

图5 阀门开启90°流场特性

阀门开启60°时(图6),由于流通面的缩小,流体所受的阻滞作用加大,静压差变得更大,射流速度变大,在阀门的右侧产生漩涡,漩涡一直影响到出口部分。同时,由于流体流过不规则的流道,在阀门内部以及阀门入口前侧产生角涡。此时阀门流量系数变小,流通能力减弱。对应在流量特性曲线斜率变化较大的地方,此时旋开阀门,流量变化量较大。

(a)对称面上的速度云图     (b)对称面上的速度矢量图

图6 阀门开启60°流场特性

阀门开启30°时(图7),流通面很小,流体所受阻滞作用非常大,阀门前后的静压损失也很大,在流通处速度剧烈变化,入口的流速0.4m/s,在节流面时的速度达到了7m/s。由于流动状态非常复杂,在阀门内部和阀门前后均产生较大的漩涡。此时有很少的流体流过阀门,流通能力很弱,流量系数变小。对应在流量特性曲线斜率变化较缓的地方,此时旋开阀门,流量变化量较小。

(a)对称面上的速度云图     (b)对称面上的速度矢量图

图7 阀门开启30°流场特性

分析阀门模拟数据,随着阀门开度的减小,从全开到完全关闭状态,流通能力变弱,流量系数变小。在阀门从开启到关闭过程中,也伴随着漩涡的产生和消退。

4 结语

(1)由流量特性曲线可知,旋塞阀是等百分比调节特性。阀门开度较小时,随着开度的增加,流量的变化量较小。阀门开度较大时,随着开度的增加,流量的变化量较大。阀门在开度为17°时开始有流体通过,85°时已经接近全开。

(2)通过阀门开启90°、60°和30°状态的模拟分析可以看出,随着阀门开度的减小,阀门流通的截面变小,使得静压损失变大,湍流度变大,影响流场内的涡系变得复杂,最终导致阀门的流通能力减弱。

(3)Fluent稳态模拟过程中,随着开度的减小,由于旋塞出口处的流道面积越来越小,因而计算越来越难收敛,开度为20°时计算已经发散。

 
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