基于ANSYS的閘閥阻力系數(shù)研究

2013-07-06 鄒鑫 常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

  應(yīng)用有限體積法,借助專用于分析二、三維流體流動(dòng)場(chǎng)的先進(jìn)工具———ANSYS軟件的FLOT-RANCFD工具,分析計(jì)算了閘閥的內(nèi)部流場(chǎng)特性。依據(jù)流場(chǎng)的壓力分布計(jì)算了不同開(kāi)度、進(jìn)口速度和內(nèi)徑下閘閥的阻力系數(shù)。指出閥門(mén)的阻力系數(shù)不僅與開(kāi)度、進(jìn)口速度有關(guān),還與管徑相關(guān);不同管徑的閥門(mén),在同一開(kāi)度、進(jìn)口速度下的阻力系數(shù)不同。

  無(wú)論是在流體機(jī)械還是在流體傳動(dòng)與控制系統(tǒng)中,都會(huì)用到各式各樣的閥門(mén),這些閥門(mén)裝置的主要功能是對(duì)流體的流量、壓力和流動(dòng)方向進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制,以滿足工作系統(tǒng)的要求。該過(guò)程中要求閥門(mén)控制可靠、阻力小、損失少。21世紀(jì)以前,對(duì)各類閥門(mén)尤其是閥門(mén)流道流動(dòng)特性的研究尚未引起重視,在設(shè)計(jì)中基本上還是依據(jù)常規(guī)設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn),只考慮結(jié)構(gòu)型態(tài)而不考慮流阻損失,從而引起較大的能耗。近年來(lái),隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,數(shù)值模擬手段廣泛應(yīng)用于流體內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)的研究上。筆者對(duì)閘閥的阻力特性進(jìn)行了研究,通過(guò)ANSYS軟件的FLOTRANCFD工具模擬了閘閥內(nèi)部的流場(chǎng)。

1、模型與數(shù)值方法

  筆者主要研究的是閘閥內(nèi)部流場(chǎng),簡(jiǎn)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(shí)物呈1∶1,以閘閥左下端點(diǎn)為原點(diǎn),建立直角坐標(biāo)系,其幾何模型如圖1所示(以閘板開(kāi)度50%為例)。

圖1 平行式單閘板閘閥幾何模型

  采用閥門(mén)的進(jìn)口速度和進(jìn)口壓強(qiáng)作為進(jìn)口的邊界條件,在絕對(duì)參考系下給定一均勻來(lái)流,方向垂直于進(jìn)口面,速度大小分別為1、2、3、4、5m/s,強(qiáng)度和水力直徑由公式推導(dǎo)出,進(jìn)口表面壓強(qiáng)為2kPa;出口邊界采用自由出流,由于全部流場(chǎng)只有一個(gè)出口,其出口表面壓強(qiáng)設(shè)為0;由于在固壁處質(zhì)點(diǎn)滿足無(wú)滑移邊界條件,設(shè)壁面速度為0。

  筆者根據(jù)閘閥的特點(diǎn),采用k-ε二方程湍流模型,選用ANSYS軟件的流體動(dòng)力學(xué)分析類型進(jìn)行分析,借助專用于分析二、三維流體流動(dòng)場(chǎng)的先進(jìn)工具———ANSYS軟件的FLOTRANCFD工具分析計(jì)算了閘閥的內(nèi)部流場(chǎng)特性。

2、計(jì)算結(jié)果及閘閥阻力系數(shù)的計(jì)算

  當(dāng)水溫為20℃時(shí),其密度為998.2kg/m3,粘度為100.5μPa·s。當(dāng)閘閥內(nèi)徑為DN50mm,開(kāi)度分別為10%、20%、25%、35%、45%、50%、60%、75%、100%,進(jìn)口速度分別為1、2、3、4、5m/s時(shí),模擬計(jì)算出閘閥內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)壓力場(chǎng)分布(圖2)。

圖2 閘閥內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)壓力場(chǎng)分布

  根據(jù)流體力學(xué)理論可知,閥門(mén)的阻力特性定義為:

  式中 Δp———閥門(mén)前后的壓差,Pa;ξ ———閥門(mén)的阻力系數(shù);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(jìn)口壓強(qiáng)差,進(jìn)而算出閘閥的阻力系數(shù)。

  當(dāng)進(jìn)口表面壓強(qiáng)為2kPa,進(jìn)口速度一定時(shí),作閘閥阻力系數(shù)隨開(kāi)度的變化曲線(圖3)。從圖3可以看出,當(dāng)進(jìn)口速度一定時(shí),隨著閘閥開(kāi)度的不斷增大,其阻力系數(shù)減少。當(dāng)閘閥開(kāi)度一定時(shí),隨著進(jìn)口速度的不斷增大,其阻力系數(shù)減少。

圖3 進(jìn)口速度一定時(shí)閘閥阻力系數(shù)隨開(kāi)度的變化

  對(duì)不同管徑(DN25、DN100、DN200)的閘閥分別進(jìn)行了模擬,并與DN50的閘閥模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。當(dāng)進(jìn)口速度為3m/s,進(jìn)口表面壓強(qiáng)為2kPa,閘閥內(nèi)徑一定時(shí),作閘閥阻力系數(shù)隨開(kāi)度的變化曲線(圖4)。從圖4可以看出,當(dāng)閘閥內(nèi)徑一定時(shí),隨著閘閥開(kāi)度的增加,閘閥阻力系數(shù)減少。當(dāng)閘閥開(kāi)度一定時(shí),隨著閘閥內(nèi)徑的增大,閘閥阻力系數(shù)也是增大。

圖4 內(nèi)徑一定時(shí)閘閥阻力系數(shù)隨開(kāi)度的變化曲線

3、結(jié)束語(yǔ)

  應(yīng)用有限元體積法和ANSYS軟件對(duì)閘閥的內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行了分析,由分析可知,閘閥的阻力系數(shù)不僅與開(kāi)度、進(jìn)口速度有關(guān),還與閘閥管徑有關(guān);不同管徑的閘閥,在同一開(kāi)度、進(jìn)口速度下的阻力系數(shù)不同。同時(shí),利用ANSYS軟件進(jìn)行閥門(mén)內(nèi)流場(chǎng)的分析方法基本可靠。