中线蝶阀的定常与突变流场分析.pdf

2 3 8 机 械设 计 与 制造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 期 2 0 1 5 年 1月 中线蝶阀的定常与突变流场分析 陈杨 ， 赵斐， 朱建公 西南科技大学 制造科学与工程学院， 四j l I绵阳6 2 1 0 1 0 摘要 运用 F L U E N T软件， 对大口径中线蝶阀的流场作定常分析。 在此基础上考虑速度突变的情况， 对相应的流场作非 定常分析。结果表明入 口速度突然增加将引起流场压力值及流速的瞬间提升， 继而逐渐降低达到基本稳定， 其峰值比高 速稳态情况下的压力、 流速值更大。同样当入口速度突然由高速恢复至低速， 将引起流场压力值及流速的瞬间降低， 继而 逐渐升高达到基本稳定， 其谷值比低速稳态下的压力、 流速值还低。此外， 开度大小对突变下的蝶阀的流场参数及其恢复 平衡状态的快慢有很大影响。 关键词 蝶阀 ； 定常； 突变 ； 数值模拟 中图分类号 T H1 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 1 0 2 3 8 0 5 S t e a d y a n d Mu t a t i o n F l o w F i e l d An a l y s i s o f Bu t t e r f l y Va l v e Ba s e d o n F L U ENT CHEN Ya n g ，Z HAO F e i ，Z HU J i a n g o n g S c h o o l o f Ma n u f a c t u r i n g e n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S i c h u a n Mi a n y a n g 6 2 1 0 1 0 ， C h i n a A b s t r a c t U s i n g s o ,w a r e F L U E N T ， s t e a d y a n a l y s i s offlo wfi e l d w e r e c a r d e d o u t f o r l a r g e - d i a m e t e r c e n t e r b u t t e ff T y v al v e ． O n t h e b a s i s o f s t e ady r e s u l t s ， c o n i d e r i n g t h e c ase o f s u d d e n i n c r e ase i n s p e e d ， i t u n d e r w e n t t h e u n s t e ady ana l y s e s o f t h e c o r r e s p o n d i n g fl o w fie l d ． T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e s u d d e n i n c r e a s e i n s p e e d c a l l e i nst a n t p r o m o t i o n oft h e fi e l d p r e s s u r e a n d v e l o c i t y ． A n dt h e p e a k s o f p r e s s u r e a n d v e l o c i tyw e r e b i g g e r t h a nt h a t i nt h e c c l s e ofh ig h s p e e d s t e ady s t ate ．An dt h e n t h e p r e s s u r e a n d v e l o c i t y g r ad u all y d e c r e as e d t o r e a c h b asi c s t a b i l i t y ． O n t h e c o n t r a r y ， w h e n t h e i n l e t v e l o c i t y s u d d e n l y r e t u r n e d t o l o w s p e e d， t h e flo w fie l d p r e s s u r e a n d v e l o c i t y i n s t a n t a n e o u s l y r e d u c e d ． T h e v a l l e y s o f p r e s s u r e a n d v e l o c i t y w e r e l o w e r t h an t h at c ase o f l o w v e l o c i t y s t e ady s t at e ． T h e n t h e flo w fie l d p r e s s u r e a n d v e l o c i t y gradu a l ly i n c r e a s e d t o r e a c h t h e b asi c s t a b i l i t y ． O t h e r w i s e ， t h e o p e n i n g s i z e h ad an e f f e c t o n m u t at i o n fl o wfi e l d p ara m e t e r s as w e l l as t h e s p e e d t o r e s t o r e b a l anc e ofb u t t e q y v a l v e ． Ke y W o r d s Bu t t e r fl y Va l v e ； S t e a d y ；M u t a t i o n； Nu m e r i c a l S i mu l a t i o n 1 引言 蝶阀多用于各种流体介质的输送管道，起着调节和截断介 质的作用。 其使用广泛， 品种及数量都在扩大， 并向着高温、 高压、 大口径、 高密封发展。蝶阀性能的好坏对流体的输送起着至关重 要的作用， 而对其流场的分析是研究蝶阀性能的基础。国内外已 有学者对蝶阀流场进行了数值模拟分析。文献【t 嗵过三维数值模 拟技术， 分析了蝶阀内部不可压缩流体的的流动情况， 并给出了 速度场图和压力分布图。文献 用数值方法研究了中心对称蝶阀 的三维流动特性。 文献口 对蝶阀不同开度下的流场进行了研究， 并 对其结构进行了改进。 文献 E 对蝶阀的流场分析的基础上， 定性 分析了蝶阀的受力情况。 文献呶寸 开度连续变化的蝶阀进行模拟， 并得到阀板的气动力矩特性曲线。文献 对不同结构的蝶阀在不 同开度下的流场进行模拟，并分析了相应的流阻系数的变化情 况。目前多数研究均基于定常计算 ， 因为定常计算对计算机要求 较低， 且收敛快、 计算时间短。然而实际流动晴况比较复杂， 例如 阀门迅速启闭、 压力不稳、 遇到障碍等， 通常会导致流速突变或渐 变。相较而言， 非定常计算更贴近流动的真实『青 况， 现已在水轮机、 涡轮、 泵、 阀等流体机械的数值模拟中已经得到了应用l7 J q 。 利用 A N S Y S Wo r k b e n c h 下的 F L U E N T软件先分析中线蝶 阀在定常状态下的流动性能， 在此基础上考虑了有速度突变的情 况， 对蝶阀进行非定常流场分析， 有助于了解其内部流场的详细 情况， 并可作为流场在速度复杂变化情况下的分析基础， 对于指 导蝶阀的设计、 改善其流动状况具有重要的意义。 2计算流体力学基本方程 对于所有流动， 都需要求解质量和动量守恒方程， 若流动中 还包含传热或可压性流动， 需要增加能量守匣方程。对于湍流问 题， 还需要选择求解相应的湍流模型 n 。 不考虑传热 ， 所以不需要 求解能量守恒方程。 2 ． 1连续性方程 连续性方程也就是质量守恒方程。任何流动问题都必须满 来稿 日期 2 0 1 4 0 7 0 4 作者简介 陈杨， 1 9 8 9 一 ， 女， 四川达州人， 在读硕士研究生， 主要研究方向 液压阀门及流体力学的研究； 朱建公 ， 1 9 6 2 一 ， 男， 陕西富平人， 本科， 教授， 主要研究方向 流体传动与控制方向教学与研究 No ． 1 J a n ． 2 0 1 5 机 械 设 计 与 制 造 2 4 1 变化比2 0 。 开度时更明显。速度增加瞬间， 由于压力波的出现， 引 起压力从前至后分层， 逐层递减， 蝶阀过流处仍存在一定的梯度。 随着时间增加， 蝶板背面出现一定面积的低压区。 恢复原速度后， 压力分布再次变化， 呈层状递增分布， 过流处的压力梯度消失， 背 面的低压区仍存在。全开时， 速度增加瞬间， 流场压力剧烈增加， 呈均匀带状分布， 压力值递减。恢复速度后， 压力迅速减小， 呈带 状逐级递增分布， 但很快恢复到平衡状态。 图 7不 同开度下的蝶阀压力云图变化过程 F i g ． 7 Th e C ha n g e P r o c e s s e s o f Pr e s s u r e C o n t o ur o f Bu t t e r f l y Va l v e a t Di f f e r e n t Op e n i n g S i z e s 为探究不同开度下速度突变后蝶阀流场的压力变化情况， 现取三种开度下z 0平面在不同时刻的压力最值作图比较， 如图 8 所示 。 疆 嘣 出 时 『司 t S 图 8不 同开度下蝶阀压力最值变化 曲线 Fi g ． 8 Ma x i mum a n d Mi n i mu m P r e s s u r e Va r i a t i o n o f Bu t t e r fly Va l v e a t Di f f e r e n t Op e n i n g S i z e s 由图8可知， 同前面的速度最值曲线类似， 在速度突变后的 一 小段时间内压力最值 曲线也有波峰或波谷出现 ， 这是 由于入 口 速度突然增大后， 管道中的流体速度仍按原来的速度流动 ， 速度 较快的流体会对其后方速度较慢的流体进行冲击， 引起压力冲击 波。 随着流体的前进， 在整个流域会出现不同的压力波往返传播， 多重压力冲击波的叠加使得压力幅值在瞬间急剧上升。 图7中各 开度下的蝶阀在 0 ． 0 5 s 时的云图定性地显示了这一现象。此时产 生的瞬时压力峰值比流速为 4 m ／ s 的稳态下还要大，这更容易引 起振动和噪声， 导致管道破裂及蝶阀的损坏。 随着时间的延长， 管 道内速度差异减小， 冲击力度也减小， 压力基本不变。 当恢复速度 后， 压力将迅速下降， 其压力谷值比稳态下流速 4 m ／ s 更小 ， 容易 导致气蚀 图中曲线说明2 0 。 开度时已经发生了气蚀 ， 引起局部 液压冲击f ， 产生强烈的震动和噪声 ， 甚至使管壁及蝶阀由于气 蚀出现表面腐蚀 ， 影响蝶阀的性能。 由上述分析可知 ， 蝶 阀的入 口速度突然增加时 ， 会 引起蝶阀 流场的压力速度迅速增加 ， 其值比高速下流场的压力、 速度值更 大， 容易带来冲击和振动。 蝶阀入口速度突然减小时， 会引起蝶阀 流场的压力骤减， 其谷值比高速下流场的压力更， 更容易导致气 蚀。 同样由图中曲线可知， 蝶阀开度越小， 速度突变引起的瞬时压 力峰值越大、 谷值越小， 故蝶阀不应在小开度下工作。 4 ． 3开度对速度突变流场的影响 以上就云图及平面速度、压力最值对速度突变引起的变化 进行了阐述， 为进一步说明速度突变对蝶阀流场的影响， 选取蝶 阀流场内后端管道的任意一点 1 ．5 ， 0 ．0 6 2 ， 0 ． 0 6 2 ， 命名为点 1 ， 作 出该点在不同开度下的压力 、 速度随时间变化的曲线， 如图9所 示 0 2 0 2 4 6 时 间 t s 2 O 图 9不同开度下蝶 阀点 1的压力、 速度变化曲线 F i g ． 9 Th e P r e s s u r e a n d Ve l o c i t y Vi b r a t i o n o f Po i n t 1 a t Di f f e r e n t Bu t t e r fly Va l v e Ope n i n g S i z e s 首先 ， 从速度突变引起的流动参数的波动来看， 开度越小 ， 压力及速度的波动量越大。 2 0 。 开度下点 1的压力、 速度最大波动 量分别为 1 5 5 ． 0 K P a 、 4 ． 9 m ／ s ， 4 5 。 开度则为 1 4 4 ． 5 k P a 、 4 ． 2 m ／ s ，全开 时该点的压力速度最大波动量则为 1 3 9 ． 3 k P a 、 2 ． 0 m ／ s 。 其次， 从曲线走势来看， 在第 4 s 恢复原有水流速度 2 m ／ s 后， 开度越大 ， 压力及速度达到平衡状态越快 。 突变结束后 ， 随着时间 的增加 ， 从某特定时刻起， 相关参数变化曲线将进入稳态区域并 不再超过该区域。 指定稳态值误差为 5 ％的范围为稳定区域， 经计 算， 9 0 。 开度下蝶阀在第 4 ． 2 5 s 进入稳定区域 ，半开和 2 0 。 开度分 别是第 6 ． 8 5 s 和第 7 ． 8 5 s 。 因此， 在相同的速度突变下， 开度对流动 2 4 2 机械 设 计 与 制造 No ． 1 J a n ． 2 0 1 5 参数的变化影响很大。 综上所述， 在相同的速度突变下， 开度越大， 速度变化对流 场的影响越小， 蝶阀达到平衡状态所需的时间越小。 5结论 1 对比不同开度的定常流场， 开度增加引起流道变宽， 流 体对过流处冲击减小， 速度及压力最大值均将减小 ， 而且流动的 不均匀性减弱， 压力分布越均匀， 能量损失也将减小。 2 当速度突然增加后， 压力迅速变化， 整个流域速度也随 之变化。整个变化过程内， 无论压力还是速度都出现先增后减直 至平衡的过程， 局部流场也有所变化。 恢复原速度的过程中， 压力 与速度值逐渐降低直至不变。可见这与突变过程并非单纯相反 。 3 当人口速度有低速突变至高速时， 蝶阀流场的速度最大 值及压力都会迅速增高， 其峰值比高速下稳态流场的压力、 速度 值更大， 更容易带来冲击、 振动和噪声， 对蝶阀的性能危害越大。 4 当人口速度有高速突降至低速时， 蝶阀流场压力会迅速 降高， 其谷值比低速下稳态流场的压力值更大低， 更容易导致气 蚀现象的出现， 引起局部液压冲击， 影响蝶阀的性能。 5 速度突变后， 蝶阀流场达到平衡状态的快慢与开度的大 小有关。 开度越大， 所需过渡时间越短， 速度突变对蝶阀的影响越 小。 参考文献 l 1 J H u a n g C h e n d o n g ， K I MRH．T h r e e - d i me n s i o n a l a n a l y s i s o f p a r t i a l l y o p e n b u t t e r fl y v a l v e fl o w s [ J ] J o u r n a l o f F l u i d s ， E n g i n e e r i n g ， T r a n s a c t i o n o f t h e A S ME， 1 9 9 6 ， 1 1 8 3 5 6 2 5 6 8 ． 1 2 j P a r k Y o u n g c h u ， S o u g X u e g u a n ． N u me ri c a l a n a l y s i s o f l arg e d i a m e t e r b u t t e r f l y v a l v e [ J ] ． A d v a n c e s i n C o m p u t a t i o n a l A l g o ri t h m s a n d D a t a A n a l y s i s ， 2 0 0 8 1 4 3 4 9 3 6 3 ． [ 3 ] 刘健， 李福堂． 蝶I 窥 场的数值模拟及分析[ J j ． 阀门， 2 0 0 8 3 3 6 3 8 4 2 ． L i u J i a n ．L i F u t a n g ． N u me r i c al s i mu l a t i o n 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a n d n u me ri c a l a n a l y s i s b a s e d o n C F D [ J J _J o u rna l o f D r a i n a g e a n d I - r r i g a t i o nMa c h i n e r y E n g i n e e ri n g ， 2 0 1 3 ， 3 1 6 5 2 3 5 2 7 ． [ 7 ] 廖伟丽， 姬晋廷， 逯鹏．混流式水轮机的非定常流动分析[ J ] ．机械工程 学报 ， 2 0 0 9 6 l 3 4 _ 1 4 0 ． L i a o We i - l i ， J i J i n - t i n g ， L uP e n g ． U n s t e a d y fl o w a n a l y s i s O f f r a n c i s t u r b i ne[ J ．J o u r na l o f M e c h a n i c al E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 9 6 1 3 4 1 4 0 ． [ 8 ] 董素艳， 刘松龄， 朱惠人二 维涡轮级的定常俳 定常数值模拟[ J I． 推进 技术 ， 2 0 0 1 5 3 8 7 3 9 1 ． Do n g S uy a n． L i u S o n g- l i n g． Z hu Hu i r e n ． I 1w0 d i me n s i o n al s t e a d y ／ u n s t e a d y n - u m e r i c a l s i m u l a t i o n i n a t u r b i n e s t a g e[ J ] ． 1 o u r n a l o f P r o p u l s i o n T e c h n o l o g y ， 2 0 0 1 5 3 8 7 3 9 1 ． [ 9 ] 周凌九， 王占民， 江东智．离心泵非定常流动计算及性能预测[ J ] ．排灌 机械工程学报 ， 2 0 1 0 4 2 8 6 2 9 0 ． Z h o uL i n g - j i U ， Wang Z h a n - mi n ， J i a n g D o n g - Z h i ．C o m p u t a 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t s [ C ] ． P r o c ．o f 9 t h I C A P ， 2 0 0 2 ． 1 1 6 J P ． M．F e e ri r a ， C ． R ． “u ． A me t h o d f o r e s t i ma t i n g a n d c o m p e n s a t i n g q u a s i s t a t i c e o rs o f m a c h i n e t o o l s[ J ] ． J o u r n al o f E n g i n e e ri n g f o r I n d u s t r y ． 1 9 9 3 ， 1 1 5 1 1 4 9 1 5 9 ． 1 1 7 j H ang rang ， J u n N i ．Ad a p t i v e m o d e l e s t i ma t i o n o f ma c h i n e t o o l t h e rma l e o rs b a s e d o n r e c u r s i v e d y n a m i c mo d e l i n g s t r a t e gy [ J ] _ I n t e r n a t i o n a l J o u ma l o f Ma c h i n e T o o l s a n d Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 5 ， 4 5 1 1 - l 1 ． [ 1 8 ]R a m e s h R ， M a n n a n M A ， P o o A N ．T h e f r n a l e r I _ 】 r m e a s u r e m e n t a n d mo d e l i n g i n ma c h i n e t o o l s ．Pa r t I I ． Hy b rid B a y e s i a n n e t wo r k s u p p o rt v e c t o r m a c h i n e m o d e l [ J ] J n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f M a c h i n e T o o l ＆ Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 3 4 3 4 0 5 - 4 1 9 ． 1 1 9 J Yu a n K a n g ， c h u a n - w e i c h a n g ． Mo d i fi c a t i o n o f n e u r a l n e t w o r k u t i l i z i n g h y b rid fi l t e r s for t h e c o mp e n s a t i o n o f t h e r mal d e f o rm a t i o n i n ma c h i n e t o o l s [ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Ma c h i n e T o o l s a n d Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 7 ， 4 7 2 3 7 6 3 8 7 ．