近年來(lái)，在閥門(mén)行業(yè)中CFD數(shù)值模擬計(jì)算已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，如在電站調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，液壓錐閥、大口徑環(huán)噴式流量調(diào)節(jié)閥、ATS調(diào)節(jié)閥等。
調(diào)節(jié)閥是過(guò)程控制系統(tǒng)中用動(dòng)力操作去改變流體流量的裝置，調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中是必不可少的，它是組成工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)閥的品種多、規(guī)格多，可靠性差，調(diào)節(jié)閥的流量特性與工業(yè)過(guò)程被控對(duì)象特性不匹配，造成控制系統(tǒng)品質(zhì)變差。調(diào)節(jié)閥是耗能設(shè)備，應(yīng)降低調(diào)節(jié)閥的能耗，提高能源的利用率，對(duì)流道中流線不連續(xù)的部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，使其流動(dòng)性能更好。
1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及流道模型建立
1.1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)與建模
文中采用某一型號(hào)套筒調(diào)節(jié)閥，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，公稱通徑為200mm，總長(zhǎng)為1000mm。流體的流動(dòng)方向?yàn)樽筮M(jìn)右出，通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯的行程，可以改變套筒的流通面積，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。
圖1 調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
利用三維建模軟件，根據(jù)流道的幾何尺寸和與套筒的裝配關(guān)系，對(duì)流體流過(guò)的通道進(jìn)行三維幾何建模，針對(duì)不同開(kāi)度分別建模。調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為90%的幾何實(shí)體模型如圖2所示。
圖2 調(diào)節(jié)閥90%開(kāi)度流道剖面示意圖
1.2 網(wǎng)格劃分
將三維幾何實(shí)體導(dǎo)入GAMB II進(jìn)行計(jì)算前的處理工作。確定了計(jì)算域之后，用GAMB II對(duì)其進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，流道網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，劃分后網(wǎng)格數(shù)為18萬(wàn)左右。調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為100%的流道網(wǎng)格劃分如圖3所示。設(shè)定進(jìn)出口的邊界條件分別為壓力進(jìn)口和壓力出口等。
圖3 調(diào)節(jié)閥100%開(kāi)度流道網(wǎng)格劃分示意圖
2 定常流動(dòng)的數(shù)值模擬
將GAMB II導(dǎo)出的網(wǎng)格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程及模型(選用適合于工程問(wèn)題的k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型)，設(shè)置流體物性為水，設(shè)置邊界條件，進(jìn)行流場(chǎng)初始化，設(shè)定控制參數(shù)及定義迭代次數(shù)等就可以得出求解結(jié)果。
2.1 開(kāi)度100%時(shí)流場(chǎng)分析
對(duì)進(jìn)出口壓差為146.538kPa條件下，取該調(diào)節(jié)閥的全部流道和對(duì)稱面進(jìn)行分析，研究其內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況。全部流道上壓力云圖和對(duì)稱面上速度等值線圖分別為圖4和圖5。
圖4 壓力云圖
圖5 對(duì)稱面上速度等值線圖
從圖4可以看出，進(jìn)、出口壓力較為均勻，分別為146.538kPa和0左右，進(jìn)出口壓差較大，流道的壓降主要用于克服調(diào)節(jié)閥前后的阻力。
從圖5中可以看出，進(jìn)口流速比較均勻，出口流速分布不是非常均勻，大約都在3m/s左右，在閥道左下部和右上部閥道中，有較大范圍的渦動(dòng)，
可以考慮改變流道進(jìn)行優(yōu)化。
2.2 不同開(kāi)度下流量特性模擬
流量特性是指介質(zhì)流過(guò)閥門(mén)的相對(duì)流量與相對(duì)開(kāi)度的關(guān)系。調(diào)節(jié)閥的流量特性是調(diào)節(jié)閥的最重要的指標(biāo)之一，在前后壓差不變時(shí)得到的是理想流量特性。取前后壓差為4000kPa，針對(duì)不同開(kāi)度進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果如表1所示。
表1 不同開(kāi)度下模擬結(jié)果
由不同開(kāi)度下流量模擬得到理想流量特性曲線，如圖6所示。
圖6 流量特性模擬與試驗(yàn)對(duì)比曲線
從圖6可以看出，數(shù)值模擬曲線和試驗(yàn)曲線基本吻合，趨勢(shì)基本一致。通過(guò)比較，可以看出計(jì)算所得的該調(diào)節(jié)閥的流量特性是可靠的，為優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
3 流道改進(jìn)優(yōu)化及比較
在閥道內(nèi)產(chǎn)生的旋渦形成劇烈紊動(dòng)的分離回流區(qū)是水頭損失的主要原因，前面數(shù)值模擬的結(jié)果說(shuō)明用曲率較大的圓弧連接形成的閥門(mén)通道并不是很合理。鑒于此，考慮閥門(mén)的安裝要求，只對(duì)閥門(mén)流道的下部和右半部分進(jìn)行了改進(jìn)，針對(duì)全開(kāi)的情況下，以減小流道中的湍動(dòng)能k和湍能耗散率ε為改進(jìn)優(yōu)化的目標(biāo)，對(duì)套筒以下的全部流道進(jìn)行了改進(jìn)，使其橫截面積減小。圖7、8分別表示改進(jìn)前和改進(jìn)后1、2模型的對(duì)稱面剖面圖。
圖7 改進(jìn)前的對(duì)稱面剖面圖
圖8 改進(jìn)后的對(duì)稱面剖面圖
在全開(kāi)狀態(tài)下，仍以進(jìn)、出口壓差146.538kPa為條件，取改進(jìn)前、后的模型的全部流道和對(duì)稱面進(jìn)行分析，如圖9、10所示，研究其內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況。
圖9 改進(jìn)前對(duì)稱面局部速度矢量圖
通過(guò)圖9、圖10可以看出，改進(jìn)后的模型在閥門(mén)流道的左下部分也已經(jīng)基本上沒(méi)有旋渦，說(shuō)明此處的流動(dòng)情況有好的改善，在右側(cè)閥道的流動(dòng)過(guò)程中旋渦區(qū)域也變小了，說(shuō)明改進(jìn)后的模型也對(duì)閥門(mén)內(nèi)流體的流動(dòng)有較好的改善。表2為流道改進(jìn)前、后的閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)的湍動(dòng)能k和湍能耗散率ε的模擬結(jié)果比較。
圖10 改進(jìn)后對(duì)稱面局部速度矢量圖
表2 改進(jìn)前后流場(chǎng)的能量耗散數(shù)值模擬結(jié)果比較
由表2可以看出，改進(jìn)后的湍動(dòng)能k比改進(jìn)前有所下降，湍能耗散率ε增大的幅度非常小，若以湍動(dòng)能k和湍能耗散率ε作為優(yōu)化的目標(biāo)，則改進(jìn)后的模型為最優(yōu)模型。這與從可視化圖形中得出的結(jié)果是一致的。
4 結(jié)論
4.1 在減小該調(diào)節(jié)閥流道中回流時(shí)，可以考慮適當(dāng)減小下部及右半部分流道流通面積，可以有效減小流動(dòng)中回流，從而減少流動(dòng)的能量損失。
4.2 對(duì)于減少閥道內(nèi)產(chǎn)生的旋渦形成劇烈紊動(dòng)的分離回流區(qū)是減少流體通過(guò)閥門(mén)水頭損失的較好的一種方法，該方法對(duì)其他類型閥門(mén)也具有指導(dǎo)意義。
