防水锤球形止回阀流场数值模拟和试验研究.pdf

文章编号 100225855 2006 0420014204 作者简介杜 强1969 - ,男,四川成都人,工程师,在读博士研究生,主要从事CAD、CFD方面的研究工作。 防水锤球形止回阀流场数值模拟和试验研究 杜 强,陈次昌,季全凯,赖邦南 西华大学能源与环境工程学院,四川 成都 610039 摘要 利用造型软件PRO/ E对止回阀流道进行造型,然后将整体造型结果导入到GAMBIT 中对实体模型进行处理划分网格,应用FLUENT分别计算了几种流速工况下的流动,并进行了 相应的试验,试验结果与数值计算结果非常吻合,验证了CAD/ CFD的结合在工程应用中的有效 性,也为下一步优化防水锤节能球形止回阀设计提供了相关数据和改进的方向;通过与旋启式止 回阀在相同工况下的试验结果进行比较,验证了多流道阀体、多球体设计理论在减小流阻、消除 破坏性水锤上是正确的。 关键词 水锤;多流道球形止回阀; CFD;k-ε湍流模型 中图分类号 TH134 文献标识码 A The study about numerical simulation and examination for flowfield anti2water hammer spherical check valve DU Qiang , CHEN Ci2chang , J I Quan2kai , LAI Bang2nan College of Energy and Environment Engineering , Xihua Univercity , Chengdu 610039 , China Abstract The flow passages of the check valve are sculpted in the paper with the software PRO/ E using for sculpting , then the whole sculpted results will be guided into GAMBIT and plotted grid , the flow under several kinds velocity of flow is calculated by FLUENT , and relevant experiment is put up , which supply correlated data and improved direction for the next designation.Through compar2 ing the calculated consult with the check valve which itsplank will be opened by revolving under work2 ing with the same condition , the theory which multiple flow passages valve and multiple spheres apply to design is proved to be correct in the aspects which diminish resistance and avoid water hammer. Key words water hammer ; multiple flow passages spherical check valve ; CFD ;k-εturbulence model 1 概述 对于工业中常见的供液管道系统,泵出口止回 阀对防止动力突然中断时因逆流引起的泵机组飞逸 反转起着非常重要的作用。然而,止回阀在自行关 闭时可能会产生严重的关阀水击,而水击压力大大 超过系统工作压力,故可能危及系统安全。同时, 阀门的设计除了满足流量的基本要求外,最重要是 流阻的大小、是否有脱流或漩涡存在,它关系到能 源的消耗,也影响生产成本的高低和产品的竞争 力。新型节能球形止回阀是根据减小流阻和消除水 锤理论设计的一种大口径多流道止回阀,该阀采用 “独立式”多流道阀体 〔1〕, 流体通过不同的流道在 进入和流出阀体时,互不干扰。 本文以新型多流道球形止回阀为研究对象,分 别针对不同工况条件的阀门内流道进行计算机辅助 建模和CFD分析,将几何模型与CFD结合起来, 数值模拟了几种不同的水力模型,分析了该阀门内 部流动的流态、流阻等特性,并进行了相应的流 阻、水锤试验,将模拟计算结果与试验结果进行对 比,验证了CFD方法在阀门内部流动数值模拟上 的可靠性以及该球型止回阀节能和防水锤的特点。 41 阀 门 2006年第4期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 在计算中还获得了一些重要的流动现象,为改型设 计提供重要的参考依据。 2 流动特性数值模拟和试验研究 211 数值模拟 1控制方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律,即单 位时间内流体微元体中质量的增加,等于同一时间 间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律,可 以得出质量守恒方程 〔2〕 5u 5x 5v 5y 5w 5z 01 式1中的u、v和w分别为三个坐标方向 的速度分量。 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的 基本定律,即微元体中流体的动量对时间的变化率 等于外界作用在该微元体上的各种力之和。按照这 一定律,可以得出动量守恒方程 〔2〕 5ρ u 5t divρuu divμgradu - 5p 5x Fx2 5ρ v 5t divρvu divμgradv - 5p 5y Fy3 5ρ w 5t divρwu divμgradw - 5p 5z Fz4 数值模拟采用标准的k-ε两方程涡粘模型进 行湍流数值模拟,当流体为不可压缩,且不考虑源 项时,标准k-ε模型为 〔3〕 5ρ k 5t 5ρkui 5xi 5 5xj μ μt σk 5k 5xj Gk-ρ ε 5 5ρ ε 5t 5ρ εui 5xi 5 5xj μ μt σ ε 5ε 5xj C1εε k Gk -C2ερ ε 2 k 6 2定解方法 由于止回阀的进口流量容易确定或给定 , 进口速度也就容易计算,而计算前出口速度和压力 未知,因此较方便的处理方式就是使用速度进口边 界条件和自由出流的出口边界条件 〔3〕。为实现流 动的数值计算,采用有限体积法对控制方程进行离 散。计算采用的是基于非结构网格的SIMPLE算 法的二阶迎风格式。采用Pro/ Engineer Wildfire 210进行止回阀流道模型造型。 3计算模型造型 防水锤多流道三流道节能球形止回阀水流 正向流动时120 结构如图1。其外观形状呈规则的 “多瓣”型,内流道呈独立式多孔结构,球体在关 阀时置于左右阀体间的阀座上,介质在进入和流出 阀体过程各走其道,互不干扰,并彻底消除跑球故 障。 利用Pro/ E软件创建模型如图2。为了保证止 回阀进、出口的边界条件符合实际,在计算过程中 分别对止回阀的进、出口添加了等同直径的管道, 进口管道长度为100 mm ,以保证进口流动稳定。 出口管道长度为整个阀体长度的2倍,以保证计算 模型的出流为自由出流。将文件保存为 1stp格式。 11 左阀体 21 右阀体 31 球体 41 流道 51 控制器 61 阀座密封口 71 阀座隔板 81 锥形体 91 筋板 101 左阀体流道分隔筋板 111 右阀体流道分隔筋板 121 左阀体流道 图1 防水锤三流道节能球型止回阀120 旋转面结构 图2 防水锤止回阀流道的三维实体模型 计算中,通过Pro/ E软件的输出接口和专用的 网格划分软件Gambit进行模型的转换,并对建立 的三维实体模型采用四面体非结构化网格进行网格 划分,输出为Fluent软件能识别的 1msh文件。在 对实体建模并划分完网格后,将其导入Fluent流 场计算软件进行流场计算。计算结果如表1。 512006年第4期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表1 多流道球形止回阀数值计算结果 阀门开度流速m/ s静压Pmin-Pmax kPa总压Pmin-Pmax kPa进出口总压压差kPa 全开019- 0187～0146- 0168～01520142 210- 4127～2128- 3132～21562106 310- 9159～5113- 7141～51774161 316- 13181～7139- 10162～81316162 418- 24156～13115- 18184～1417711176 开1/ 3310- 94173～0166- 80185～512930115 316- 136130～0195- 116136～716643141 418- 243135～0165- 207192～1216877121 开2/ 3310- 32141～0162- 25182～11226176 316- 46167～0190- 37120～814018124 418- 82197～1161- 66123～311617134 在正常流动情况下,由于多流道球形止回阀球 体的特殊结构,球体总是处于充分开启的状况,而 旋启式止回阀由于旋转销轴生锈以及水力压力不足 等原因阀瓣可能打开不充分,因此比较主要在多流 道球形止回阀球体充分开启时的状况与相同工况的 公称通径相同、流速相同旋启式止回阀间进行。 从球体全开时多流道球形止回阀120 旋转剖 面介质流线图 3 可以看出,多流道球形止回阀 的各流线分布均匀,水流几乎平直地经过止回阀, 止回阀对水流的阻碍作用小,胶球与锥形体接触效 果好,其表面流线平顺、光滑,对流体介质几乎没 有影响,水力损失小,无脱流及漩涡产生。 图3 多流道球形止回阀120 旋转剖面流线图 从多流道球形止回阀在全开时的120 旋转剖 面静压等高线图 4 可看出,在左阀体流道的分 隔筋板头部和胶球的头部有一定的压力突变及水力 冲击。在胶球与锥形体连接的地方由于流道变小, 流速增加,压力变化大,而在其他过流通道里压力 变化均匀,对阀体破坏性小,流体在整个流道内流 动比较均匀。同时,可以看出在左右阀体连接处的 内侧面及阀门出口处有小面积的低压区,且随流速 加快更加明显。同时可以看出,在左右阀体的连接 处由于过流面积的变化从而产生压力的变化,形成 面积较小的低压区,是此种阀门最有可能产生脱 流、空化的区域。 图4 多流道球形止回阀120 旋转剖面静压等高线图 212 流阻特性试验研究 通过对相同口径DN300 mm的旋启式止回 阀流速为019 m/ s、210 m/ s、310 m/ s、316 m/ s 和多流道球形止回阀流速为019 m/ s、210 m/ s、310 m/ s、316 m/ s、418 m/ s进行流阻测试 并进行数值计算,其流阻特性曲线对比结果如图 5。根据数值计算结果,及局部水力损失系数ξ的 计算公式 〔4〕, 计算的各模型阻尼系数结果如表2。 ξ 2ghj v2 7 式中 hj 局部水力损失此处为阀门进出口压 力差 v 流速 61 阀 门 2006年第4期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图5 旋启式止回阀和三流道球形止回阀流阻特性曲线对比 表2 多流道止回阀各工况下的阻尼系数 阀门开度 进出口压差 kPa 流速 Vm/ s 阻尼系数 hj 全开01420191103 21062101103 41613101103 61633161102 111774181102 开1/ 371113101158 101243161158 181194181158 开2/ 341923101109 71083161109 121584181109 将图5中所示的旋启式止回阀和多流道球形止 回阀流阻特性曲线与计算所得的表中数据比较可以 看出,① 多流道球形止回阀的试验结果与计算结果 比较接近。在低流速v 110 m/ s 后,随着流速增加拟和出的流阻系数曲线呈非常平 直的下降,表明随流速加快流阻升高。② 阀门的流 阻系数仅与阀瓣开度有关,图中的试验曲线的直线 部分表明止回阀达到完全开启,在小流量情况下, 多流道球形止回阀比旋启式止回阀更易达到完全开 启。 3 水锤特性 为了了解止回阀的防水锤性能,进行了水锤试 验表 3 。 当泵突然停止, H44X - 10型旋启式止回阀阀 瓣处最高压力为240 kPa ,最低压力为- 18 kPa。 FWJQH45X - 10型多流道球形止回阀球体最高压 力为148 kPa ,最低压力为16 kPa。通过试验可 见, FWJQH45X - 10型多流道球形止回阀的水锤 强度比H44X - 10型旋启式止回阀减小,基本上能 消除破坏性水锤的发生。H44X - 10型旋启式止回 阀及FWJQH45X - 10型多流道球形止回阀水锤特 性曲线见图6及图7。 表3 水锤试验结果 系统静压力70 kPa 流速 m/ s 多流道球形止回阀 最大压力 kPa 最小压力 kPa 旋启式止回阀 最大压力 kPa 最小压力 kPa 31010943// 31612335// 41814816240- 18 图6 H44X- 10型旋启式止回阀水锤特性曲线 图7 FWJQH45X- 10型多流道球形止回阀水锤特性曲线 图6和图7显示的水锤特性曲线也验证了多流 道球形止回阀在防水锤性能方面优下转第38页 712006年第4期 阀 门 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图4 大面积管道流动的可压缩流动的净膨胀系数 314 调节性能分析 减压阀组总的流量即为各分支管流量之和。根 据炉顶压力控制方案,利用一维搜索方法,可分别 计算出在给定流量、阀前压力、阀后压力下各阀门 的开度。 反复验算在不同给定流量和阀前压力下各阀门 的开度,保证各阀门蝶板工作在20 ～70 之间。如 果有阀门蝶板工作在此范围之外,可适当加大或减 小阀门口径。利用这种方法得出各阀门的组成,就 可保证减压阀组的调节性能。 4 结语 以计算可压缩气体流量的达西公式为基础,提 出了分析减压阀组调节性能的方法。该方法经实际 应用,满足了高炉压力控制的需要,效果良好。 参考文献 〔1〕 杨源泉.阀门设计手册 〔M〕.北京机械工业出版社, 1992. 〔2〕 姚玉英.化工原理 〔M〕.天津天津科学技术出版社, 1999. 〔3〕 张昌富.冶炼机械 〔M〕.北京冶金工业出版社, 1997. 〔4〕 任贵义.炼铁学 〔M〕北京冶金工业出版社, 1997. 收稿日期 20061011 17 上接第17页于旋启式止回阀,其设计结构有利 于减小水锤时的压力,验证了设计理论的正确。 4 结语 通过利用三维造型软件Pro/ E并结合通用 CFD软件FLUENT ,以FWJQH45X - 10型防水 锤多流道球形止回阀为研究对象,计算其内部的流 场,分析内部的流态、流阻。将计算结果与试验所 得的数据进行对比分析,得出计算的内部流态分布 与理论预测的内部分布的流态大体趋势一致,并且 计算出的结果与试验的流阻特性曲线吻合较好,流 阻系数与阀门开度相关,可以说明利用CFD软件 进行阀门内流场的分析是可靠的。通过对止回阀流 阻的理论分析以及对其试验结果的研究,设计成中 空球形阀瓣和流线形阀体的多流道球形止回阀流道 可减小流体阻力,阀体多个流道、多个球体能消除 破坏性水锤发生。新型多流道球形止回阀逆流时低 压差下密封性能好,正流时流体阻力损失小,节能 性好,小流量时球体也能完全开启,逆流时水击压 力小,基本消除了破坏性水锤的发生,工作时噪声 及振动小,维修性能好。 参考文献 〔1〕 方本孝,郑庆伦,王渭.高性能止回阀结构设计的分析研究 〔M〕.流体机械, 1998. 〔2〕 吴望一.流体力学 〔M〕.北京北京大学出版社, 1982. 〔3〕 王福军.计算流体动力学分析 〔M〕.北京清华大学出版 社, 2004. 〔4〕 张耀先,丁新求.水力学 〔M〕.郑州黄河水利出版社, 2002. 收稿日期 20061041 25 83 阀 门 2006年第4期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. 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