基于CFD的DN110隔离阀流场和阻力特性分析.pdf

作者简介:王树森()男河北衡水人工程师从事阀门方向研究文章编号:()基于 的 隔离阀流场和阻力特性分析王树森孙宝杰张 阳冯忠海刘祥孟(.海装沈阳局驻鞍山地区军事代表室辽宁 鞍山.鞍山电磁阀有限责任公司辽宁 鞍山)摘要 利用 方法对 隔离阀流场和阻力特性进行了有限元分析计算了开合度为、和 的隔离阀流道流场和阻力特性 结果表明:当隔离阀的开度分别为、和 时其内部流体的最大流速分别为 /、/、/、/和 /其内部流体最大压强分别为 、和 基于 计算的隔离阀流阻系数与同等实验条件下测定的流阻系数一致 隔离阀开合度范围为 时隔离阀流阻系数变化非常明显 隔离阀开合度范围为 时隔离阀的流阻系数逐渐趋于稳定 隔离阀开合度范围为 时隔离阀的流阻系数几乎不变化关键词 法隔离阀数值模拟流阻系数中图分类号:文献标志码:(.):./././././.:概述隔离阀作为重要的核能转化及利用装备同时是核动力系统管道流动中最为重要的控制元件具有截止、调节、防止逆流和稳压等重要功能 可见阀门为核动力系统的安全稳定运行提供重要的技术保障 在核动力系统阀门设计中阀门的流阻系数是衡量阀门性能的重要指标 近年来大量的研究工作都集中于设计低流阻系数阀门产品从而降低阀门在应用时产生的核能损耗 阀门的设计主要依赖于实验测试结果即全开情况阀 门 年第 期下的流阻系数测定 然而传统实验测定方法不仅具有周期长和成本高的缺点还无法分析阀门在完全开闭以及部分开闭过程中内部的流体状态 加之在隔离阀的开合过程中由于阀门流道结构发生改变导致流体流动十分复杂 流体经过阀门流道时会产生例如涡旋、空化和水锤等复杂湍流流动现象导致管道寿命降低和流道局部水头损失的发生 因此对于隔离阀开合过程中流体状态以及阻力特性的研究十分重要基于 的方法可以对隔离阀开合过程中流体流场以及压力场进行直观显示即通过结果云图分析流场运动情况和压强变化规律 以隔离阀为研究对象对开合度为、和 的隔离阀流道流场和阻力特性进行计算分析获得了不同开度下隔离阀的流阻系数计算结果对 隔离阀的安全服役具有重要的实际意义同时也为隔离阀在核动力系统的应用提供理论依据 计算模型预处理 几何模型隔离阀装配几何模型如图 所示 隔离阀的总高度为 公称直径为 流体流动方向为沿着图中的 轴(红色轴)方向如图 所示 为了增强计算结果的稳定性、可靠性和准确性延长隔离阀的入口前端 (倍直径长度)延长隔离阀的出口后端 (倍直径长度)通过几何建模软件中的布尔求差方法获得隔离阀开度不同时的流体域几何模型 为了防止一些几何特征(尖锐几何体)对网格划分产生较大影响对隔离阀流体域几何体进行合理简化 由于隔离阀内部流道非常复杂难以进行六面体网格划分因此通过采用蜂窝状网格进行流体域的划分对中间几何结构较为复杂的过渡区域进行加密处理最大程度的保障仿真计算结果的准确性 为了避免网格形状和尺寸对仿真结果产生较大影响本文进行了网格无关性验证最终网格数为 万如图 所示 数学模型数值模拟计算遵循质量守恒定理在流场中的表达式为连续性方程如下:()()()()式中、分别为、方向上的速度分量 流动时间 流体介质的密度此外数值模拟依据的动力守恒定理在流场中的表达式为动量方程如下:()()()()()()()式中、分别为、方向上的单位质量力图 隔离阀装配结构图 隔离阀流道网格模型截面图 边界条件的设置阀体内部的流动介质为水(不可压缩)设置入口为速度入口流体速度为 /出口条件为压强出口其值为默认值 湍动模型为 标准模型其系数如表 所示 压强 速度耦合采用 算法求解收敛残差值设定为 此外数值模拟过程中不考虑温度的变化止回阀的壁面为 年第 期阀 门绝热无滑移边界条件表 标准模型的系数 结果分析与讨论 不同隔离阀开度流场分析通过 可以计算出隔离阀在不同开度情况下隔离阀内部流场流线图分布情况如图 所示 根据 流场计算结果可知当隔离阀的开度分别为、和 时其内部流体的最大流速分别为 /、/、/、/和 /显然随着隔离阀开度的增加其内部流速整体呈现下降的趋势 此外值得注意的是在隔离阀上部腔体内(见图 中红色圆圈标记)的涡旋随着开合度的增加逐渐消失 这是由于随着隔离阀腔体开合度的增加其上部腔体空间被逐渐压缩而且介质流入上端腔体中的流道变窄致使介质在流入上腔过程中损失大量动能导致其流动强度减弱最终造成涡旋消失 然而隔离阀下端腔体内(见图 中绿色圆圈标记)的涡旋在开合度为至的范围内随着隔离阀开合度的增加而变强 这是由于下端腔体空间逐渐增加流道变宽介质在流经此处的动能损耗降低此时介质具有较大动能再遇到下端()开度 ()开度 ()开度 ()开度 ()开度 图 不同隔离阀开度流场矢量图阀 门 年第 期腔体几何特征变化区域形成紊流诱发旋涡的形成当开合度为 时隔离阀下端腔体中的明显减弱涡旋甚至几乎消失 这是因为当隔离阀开合度为时流体经过阀门腔体的截面积大于管道内的截面积导致流体流速下降从而造成其紊流程度降低 最终抑制了隔离阀下端腔体内的涡旋 因此当开度为 和 时隔离阀下端腔体中容易产生强烈涡旋诱发空化气蚀等现象损坏阀体 不同隔离阀开度压强分布不同开合度下隔离阀内部介质的压强分布云图如图 所示 根据 的流体介质压强计算结果可知当隔离阀的开度分别为、和 时其内部介质的最大压强分别为 、和 随着隔离阀开度的增加其内部介质压强整体呈下降趋势 在隔离阀开启过程中隔离阀腔体内的截面积与管道截面积之比逐渐降低即流体在隔离阀腔体内的流动空间逐渐增加直至接近管道内的流体空间 因此流体介质的压强呈现逐渐降低的趋势此外随着隔离阀开度的增加流体介质对隔离阀产生作用的高压区域(见图 中红色椭圆标记)也在逐渐缩小证明了介质流域截面积的扩大能够有效降低介质压强()开度 ()开度 ()开度 ()开度 ()开度 图 不同隔离阀开度压强云图 不同开度流阻系数计算根据流阻计算公式对隔离阀不同开度情况下的流阻系数进行计算其计算公式如下:()()式中 被测阀门的入口压强 年第 期阀 门被测阀门的出口压强 被测阀门管道内流体的平均流速 流体介质的密度计算结果如表 所示 同等实验条件下测定的隔离阀开合度 时其流阻系数小于 因此采用 进行的隔离阀流场仿真分析计算结果具有较高的准确性 图 所示为隔离阀开合度与流阻系数的关系曲线 在隔离阀开合度范围为 之间隔离阀流阻系数变化非常明显在隔离阀开合度范围为 之间隔离阀的流阻系数逐渐趋于稳定 在隔离阀开合度范围为 之间隔离阀的流阻系数几乎不变化这说明当隔离阀开度为 之间时隔离阀两端的压力差值 急剧变化 根据介质的不可压缩性及伯努利定律管道出口处的平均流速变化较小因此该开合度范围之内的流阻系数波动最大剧烈的流阻系数变化不利于获得较高的调节精度而当隔离阀开合度为 时隔离阀流阻系数非常稳定有利于获得较高的调节精度表 不同隔离阀开度的流阻系数 图 不同隔离阀开度的流阻系数曲线 结论()当隔离阀的开度分别为、和 时其内部流体的最大流速分别为 /、/、/、/和 /且开度为 和 时隔离阀下端腔体中容易产生强烈涡旋诱发空化气蚀等现象损坏阀体()当隔离阀的开度分别为、和 时其内部介质的最大压强分别为 、和 此外隔离阀内介质流域截面积的扩大能够有效降低介质压强()基于 计算的隔离阀流阻系数与同等实验条件下测定的流阻系数一致 在隔离阀开合度范围为 之间隔离阀流阻系数变化非常明显 在隔离阀开合度范围为 之间隔离阀的流阻系数逐渐趋于稳定 在隔离阀开合度范围为 隔离阀的流阻系数几乎不变化参 考 文 献 崔宝玲马光飞王慧杰等.阀芯结构对节流截止阀流阻特性和内部流动特性的影响.机械工程学报():.杨辰房超童节娟.中国发展核能的必要性.核动力工程():.施业寿.核电阀门国产化分析.阀门():.唐政王秋林.核电站 形截止阀流阻系数的研究.阀门():.?.:.史文祥刘兴玉娄燕鹏等.直通式截止阀流阻特性分析.阀门():.张伟政曹石婧陈修高.基于 的调节阀流场数值模拟与实验研究.甘肃科学学报():.彭新英王锐汝强.缩径阀门通道流阻系数的分析.阀门():.冯静安唐小琦王卫兵等.基于网格无关性与时间独立性的数值模拟可靠性的验证方法.石河子大学学报(自然科学版)():.钱锦远杨佳明吴嘉懿等.阀门流固耦合的研究进展.流体机械():.徐良浩郝夏影张国平等.阀门内流场可视化试验的研究.阀门():.祁崇可殷宇.核级主给水控制阀流道结构优化设计与分析.阀门():.廖志芳王荣辉谭会攀等.上盖式半球阀流场的数值仿真.水电与新能源():.霍增辉董成俞经虎等.基于 的三偏心蝶阀数值仿真及结构优化.轻工机械():.穆岩孙宝杰张峰.基于 的止回阀流体分析与结构优化设计.阀门():.常学森唐冰杰吴琦等.三偏心硬密封调节蝶阀的流场和阻力特性分析.流体机械():.(收稿日期:)阀 门 年第 期