搜索【專業(yè)解讀】不同壓降下調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的分析
2016-11-07 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
0概述
隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步,各種輸氣和輸液管道系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。閥門在這些管道系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用,用來控制流體的流動方向、流量大小和壓差大小。調(diào)節(jié)閥是自動化技術(shù)中最常見的執(zhí)行元件之一,廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)部門。調(diào)節(jié)閥又稱控制閥,它是過程控制系統(tǒng)中用動力操作去改變流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門部件兩部分組成,執(zhí)行機(jī)構(gòu)起推動作用,而閥起調(diào)節(jié)流量的作用。本文通過ANSYSWorkbench軟件(Fluent分析模塊)數(shù)值模擬某一種型號調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流體的流量、壓力等物理量變化情況,分析調(diào)節(jié)閥的流量特性,并將實(shí)際流量特性與等百分比流量特性進(jìn)行對比。
常用的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)節(jié)閥種類繁多,結(jié)構(gòu)多種多樣,內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且調(diào)節(jié)閥的類型和結(jié)構(gòu)還在不斷地變化和更新。因此以往的試驗(yàn)結(jié)果歸納總結(jié)出來的公式、系數(shù)只能適合幾種常見類型,用來估算閥門內(nèi)部的的流動特性誤差較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算的發(fā)展,運(yùn)用計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)對流體流動進(jìn)行模擬仿真分析,已經(jīng)成為一種普遍應(yīng)用的工程分析技術(shù)。計(jì)算流體動力學(xué)的發(fā)展為人們很好地了解閥門內(nèi)部流體的流動情況提供了很好的途徑。
1數(shù)學(xué)模型的建立
在流體運(yùn)動中遵循三個最基本的守恒方程,即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。通過網(wǎng)格劃分就可以把流體模型劃分成多個控制體,對于每一個控制體運(yùn)用流體運(yùn)動的三個基本方程進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。
2.1調(diào)節(jié)閥流道的結(jié)構(gòu)建模
本文采用某型號調(diào)節(jié)閥,運(yùn)用三維建模軟件建立調(diào)節(jié)閥的實(shí)體模型,通過布爾運(yùn)算抽取調(diào)節(jié)閥及加長管道部分。為了更好更準(zhǔn)確地模擬閥體內(nèi)部流動情況,對閥出口管段進(jìn)行加長,加長管道的長度大約為250mm(約為管道直徑的5倍)。圖2所示為調(diào)節(jié)閥開度為10%時流道的剖面實(shí)體模型。
2.2計(jì)算網(wǎng)格的劃分
將調(diào)節(jié)閥流道的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench(網(wǎng)格劃分)軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的前處理。為了節(jié)省計(jì)算時間,建立流道模型的一半作為計(jì)算模型。為了提高計(jì)算精度和考慮數(shù)值計(jì)算對計(jì)算機(jī)的要求,在劃分網(wǎng)格時采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。劃分后的網(wǎng)格數(shù)大約為5萬左右。設(shè)置邊界條件為壓力入口和壓力出口,流道模型剖面設(shè)置為對稱面邊界。調(diào)節(jié)閥開度為10%的流道網(wǎng)格劃分如圖3所示。
3數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析
3.1邊界條件設(shè)置
將處理后的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent分析模塊,并進(jìn)行邊界條件和流體屬性設(shè)置,選擇合適的求解方程及模型。設(shè)置流體屬性為ideal-gas,流體屬性參數(shù)保持默認(rèn)值。設(shè)置入口和出口壓力,使得壓差分別為0.4MPa、0.55MPa、0.66MPa、0.7MPa,并分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。湍流模型選用Spalart-Allmaras湍流模型(S-A方程湍流模型)。S-A方程湍流模型常用于大梯度和近壁氣體流動的數(shù)值模擬。不同開度和不同壓差下的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。
3.2流量系數(shù)的結(jié)果分析
從表1可以看出,在同一壓差條件下,調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨開度的增加而增大,開度越大調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)也越大,當(dāng)調(diào)節(jié)閥為全開狀態(tài)時流量系數(shù)最大。在同一開度條件下,調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨著壓差的增大而增大,進(jìn)出口壓差越大調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)也越大。從圖4可以看出,不同壓差下調(diào)節(jié)閥流量特性曲線吻合較好,流量特性基本一致。在開度較小時,由于調(diào)節(jié)閥前后的壓差作用,調(diào)節(jié)閥的流量會呈現(xiàn)快速增長的趨勢,從而使得流量系數(shù)在小開度時增長較快。在開度較大時,調(diào)節(jié)閥流量基本趨于穩(wěn)定,流量系數(shù)的增長較慢緩。在開度小于60%時,調(diào)節(jié)閥的流量特性與等百分比流量特性趨勢基本一致;在開度較大時,與等百分比流量特性相比,調(diào)節(jié)閥流量特性有下降趨勢。
4數(shù)值模擬結(jié)果分析
對開度為50%時調(diào)節(jié)閥在不同壓差下的流場進(jìn)行分析。選取不同壓差下的壓力云圖和壓差為0.4MPa、0.6MPa的速度等值線圖進(jìn)行分析。從圖5~圖7可以看出,壓力和速度變化最大的地方出現(xiàn)在閥芯啟閉的部位。在閥門出口的拐角處也出現(xiàn)了明顯的壓力和速度值的變化,該處壓力和速度值的變化是由于產(chǎn)生渦漩造成的。在閥門的進(jìn)出口位置和閥腔內(nèi)流體流動比較均勻,壓力和速度值保持恒定。流體的最大流速還與閥的前后壓差成正比關(guān)系,隨調(diào)節(jié)閥前后壓差的增大而增大,并且調(diào)節(jié)閥的最大速度出現(xiàn)在閥芯啟閉部位。由能量守恒可知,在閥門壓力大的地方流體的流速相對較小,流體流速最大的部位流體壓力值最小。
5結(jié)論
由上述分析結(jié)果可知,調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)隨調(diào)節(jié)閥開度和壓差的增加而呈現(xiàn)出增長的趨勢。在同一開度下,調(diào)節(jié)閥壓差的改變對調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)值的變化影響不大。調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)隨開度變化的變化量很小。
從壓力云圖和速度等值線圖可以看出,調(diào)節(jié)閥壓力與速度增長成反比的關(guān)系,壓力大的地方速度值較小。由能量守恒知,當(dāng)壓力增大時,速度會相應(yīng)地減小,速度較小的地方壓力值相應(yīng)地較大。在閥芯閥座處,由于節(jié)流作用而在附近產(chǎn)生縮流,該處流體速度增大,但靜壓減小。
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