截止阀流场的数值模拟.docx

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截止阀流场的数值模拟

1截止阀流场的数值模拟

1.1流场模拟的作用

1.1.1流场的两种形式

层流（或滞流）：

流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无径向脉动，质点之间互不混合。

层流是流体的一种流动状态，流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的方向作平滑直线运动。

此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。

流体的流速在管中心处最大，其近壁处最小。

管内流体的平均流速与最大流速之比等于0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数引Re<2320时，流体的流动状态为层流。

粘性流体的层状运动。

在这种流动中，流体微团的轨迹没有明显的不规则脉动。

相邻流体层间只有分子热运动造成的动量交换。

常见的层流有毛细管或多孔介质中的流动、轴承润滑膜中的流动、绕流物体表面边界层中的流动等。

湍流（或紊流）：

流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。

湍流是自然界非常普遍的流动类型，湍流出现在速度变动的地方。

这种波动会使流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变化，而且引起了数量的波动。

湍流运动的特征是在运动过程中液体质点具有不断的互相混掺的现象，速度和压力等物理量在空间和时间上均具有随机性质的脉动值。

但对于湍流，如果直接求解三维瞬态控制方程，需要采用对计算机内存和速度要求很高的直接模拟方法，但目前还不可能在工程中采用此方法。

工程中广为采用的方法是对瞬态N-S方程作时间平均处理，同时补充反映湍流特性的其他方程，如湍动能方程和湍流耗散率方程等。

湍流带有旋转流动结构，这就是所谓的湍流涡（turbulenteddies），简称涡。

从物理结构上看，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡叠合而成的流动，这些涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。

大尺度的涡主要由流动的边界条件所决定，它的尺寸可以与流场的大小相比拟，它主要受惯性影响而存在，是引起低频脉动的原因；小尺度的涡主要是由粘性力所决定的，其尺寸可能只有流场尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。

大尺度的涡破裂后形成小尺度的涡，较小尺度的涡破裂后形成更小尺度的涡。

在充分发展的湍流区域内，流体涡的尺寸可在相当宽的范围内连续不断变化。

大尺度涡不断地从主流获得能量，通过涡间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡传递。

最后由于流体的粘性作用，小尺度的涡不断消失，机械能就转化（或称耗散）为流体的热能。

同时由于边界的作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动。

流体内不同尺度的涡的随机运动造成了湍流的一个重要特点，物理量的脉动[25]。

1.1.2不同流场形式对截止阀的影响

层流是理想的流动方式，层流对截止阀壁不会有很大的影响。

层流时阀道仅仅受液体静压力。

但是由于在阀道中存在拐角、沟槽，因此在阀道中是湍流。

实验结果和计算结果表明截止阀水流易产生分离流、回流、二次流和涡旋，这些水流状况是引起水头损失的主要因素。

这些不规则的流动会冲击截止阀的流道，如果长期处于这种状况下，阀壁可能会因冲蚀的原因变薄，厚度过薄可能会导致泄漏、断裂等失效的发生[26]。

当介质流经截止阀时，会产生漩涡、气穴、和死水区等水流现象，这些现象严重影响和危害管道的工况，产生振动、噪声和水头损失。

目前对阀门流动特性的研究尚未引起足够的重视，基本上还是依据传统设计方法和经验设计产品，不注重对阀道中压头损失的研究。

本文采用UG模拟截止阀阀道里的流体流动形态，得出阀体内部流体在稳定流动时的流动形态，为降低水头损失设计和阀道结构优化提供理论依据[27-28]。

流场模拟的作用表现在：

①能对流体在复杂的阀体内部的流动形态进行研究和实验；

②能设想各种不同方案，观察这些方案对流体的流动形态产生的影响；

③能反映不同方案间的相互关系，说明哪个方案更好，如何影响其他方案和整个系统；

能检验阀体模型的假设，改进阀体的结构。

1.2截止阀流场的数值模拟

1.2.1流场数学模型的假设

（1）截止阀阀内工质分别选用水（理论上采用何种物质作为流体都不会影响到数值模拟的正确性）为研究对象，且该工质为不可压缩连续的理想流体，属于牛顿湍流流体；

（2）忽略工作过程中系统的扰动和振动的影响，忽略低压区气蚀现象的产生；

（3）因为阀体和阀芯对整个流场的影响很小可忽略，所以假设工质与阀体内壁、阀芯表面无热传导、无滑移[29]。

1.2.2流场几何模型的建立

流场模型的建立需要运用布尔运算，Boolean（布尔运算）通过对两个以上的物体进行并集、差集、交集的运算，从而得到新的物体形态。

系统提供了4种布尔运算方式：

Union（并集）、Intersection（交集）和Subtraction（差集，包括A-B和B-A两种）。

物体在进行布尔运算后随时可以对两个运算对象进行修改操作，布尔运算的方式、效果也可以编辑修改，布尔运算修改的过程可记录为动画，形象直观的表现出处理过程[30]。

图4-1流场模型

Fig.4-1Flowfieldsimulation

1.2.3流场模型的网格划分

UG曲面网格划分程序算法流程如下：

UG利用商用软件的网格划分功能在UG/OpenAPI中提供了一些生成有限元网格的函数。

因此，在曲面网格划分程序的开发中就不必从底层开发，而是在UG平台上直接调用相应的UG内部函数来对复杂的UG曲面模型进行网格划分，从而产生所需要的网格，以提高网格划分的质量和效率。

调用UG内部函数对一个部件进行网格划分，至关重要的就是需要首先创建一个该部件的场景（Scenario）。

该场景就相当于一个装件，具有了一个指向原部件的指针。

同时还要求原部件必须既是显示部件（DisplayPart）是工作部件（WorkPart）。

在加载曲面网格划分系统用户界面之前，必须事先存在（打开或者创建）一个活动部件（Activepart）。

本系统要求存在一个包含so1idbody或sheetbody的对象。

以便于选择面（或曲面）进行网格划分。

在使用本系统进行网格划分前，首先需要选择网格划分的对象（一个或多个面）。

并获得这些对象的原型，然后创建一个场景（Scenario）文件。

在一个部件文件下。

可以存在多个场景文件。

但是这些场景文件的文件名称不能相同。

其次，把用户从界面上输入的网格控制参数和获得的对象事件的标识输入到网格划分函数，就可以产生用户所需要的网格。

最后保存网格模型，图形显示网格并按不同的要求输出单元和节点数据[31-33]。

划分好的网格如图4-2，网格信息如图4-3。

图4-2流场的网格模型

Fig.4-2Gridmodelofflowfield

表4-1网格信息

Tab.4-1GridInformation

网格类型

网格信息

名称

3d_mesh

（1）

网格类型

3D

网格中的单元数

961

Tetra4个单元

3310

1.2.4流场的流边界条件

图4-3介质流入

Fig.4-3Flutein

介质流入如图4-3，需要设置参数升压，截止阀的公称使用压力为4.0MPa，设置为4.0MPa。

参数选项卡的设置如图4-4所示，选择对象是阀体的流入面，幅值模式选择升压，升压表达式的大小为4.0MPa。

图4-4流入参数设置

Fig.4-4Flow-inparameters

设置压力后再设置流速，查阅相关资料可设置流速如图4-5，流速为3.5m/s。

图4-5流速

Fig.4-5Velocityofflute

进口端设置好压力和流速后，参数已确定。

介质出口端的参数设置类似，因为整个阀体是封闭的，所以流入速度等于流出速度，都为3.5m/s。

编辑解算方案设置如图4-6，运行目录为“指定”，湍流的模型为“K-Epsilon”。

图4-6结算方案

Fig.4-6SolutionProgramme

1.3流场模拟结果分析

1.3.1流速分析

流速的结果如图4-7所示。

从图4-7中可以看出，流体速度最大值可以达到5.286m/s，流速最大点在图4-7中的红点处，在密封圈位置处。

流速最小值为0.158m/s，在阀体的上腔部位。

图4-7流速分布

Fig.4-7Velocitydistribution

1.3.2静压力

图4-8静压力分布

Fig.4-8Staticpressuredistribution

静压力的分析结果如图4-8所示。

从图4-8可以看出，静压力最大值为4.0MPa。

由于阀体内部的不规则形状，会出现压降，所以压力最低值为3.96MPa，压降很小。

流体在管中流动时由于能量损失而引起的压力降低，这种能量损失是由流体流动时克服内摩擦力和克服湍流时流体质点间相互碰撞并交换动量而引起的，表现在流体流动的前后处产生压力差，即压降。

压降的大小随着管内流速变化而变化。

在空调系统运行时管内光滑程度，连接方式是否会缩孔截流也会影响压降。

1.3.3总压力

总压力的分析结果如图4-9所示。

由图4-9可以看出，总压力的最大值为4.0MPa，在进口的位置处。

由于压降的原因，最小值为3.96MPa，最小值区域在接近出口的下坡位置。

图4-9总压力分布

Fig.4-9Totalpressuredistribution

1.3.4流线

打开后处理视图选项卡，颜色显示改为箭头，得到图4-10所示。

图4-10流动方向

Fig.4-10Flowdirection

由图4-10可看出，在流场的上部出现漩涡。

截取Y平面的视图，可得图截面视图4-11所示。

图4-11流场截面图

Fig.4-11Flowcross-section

在流场的上部分，出现一个漩涡，漩涡放大如图4-12所示。

可以清晰看出在流场上部出现一个漩涡。

图4-12漩涡

Fig.4-12Swirl

1.4小结

主要阐述了流场的有关概念，利用布尔运算创建了流场模型，然后根据模型情况，参考有关文献划分好网格，设置边界条件对流场进行了模拟。

从模拟结果可以看出速度压力的分布，根据这些分布可以确定流体通过阀道时所产生的漩涡死水区等水流状况，为阀道结构优化提供理论依据。