聚流式调节阀的数值模拟研究.pdf

1 7 2 方鑫 ， 童成彪 ． 聚流 式调 节 阀的数值 模拟研 究 文章编号 1 0 0 6 --2 6 1 0 2 0 1 2 S 1 0 l 7 2 0 4 聚流 式调节 阀的数值模拟研 究 方 鑫， 童成彪 中阀科技 长沙 阀门有限公司， 长沙4 1 0 0 0 7 摘要 介绍了一种新型的套筒调节阀， 并运用 C F D数值计算的方法 ， 分别从流通能力和消能效果两方面与网孔式套 筒调节f砥注行比较分析， 湍流模型选用 R e a l i z a b l e k s模型， 计算阀门不同开度下的流量系数、 流阻系数以及消能效 率。此外， 还使用混合多相流模型进行阀内流体流动的空化模拟， 对聚流式套筒调节阀的抗气蚀性能进行了分析 ， 结 果表明聚流式套筒调节阀在低水头工况下具有较好的抗气蚀性能。由于聚流式调节阀具有成本较低、 不易堵塞的优 点， 是一种低水头工况下的经济型调节阀解决方案。 关键词 聚流式 ； 调节阀 ； 流通能力 ； 消能 ； 气蚀 中图分类号 T V 7 3 2 ． 7 文献标识码 A S t udy o n Va l u e Si mu l a t i o n o f Fl o w c o nt r a c t i ng Re g u l a t o r Va l v e FANG Xi n，TONG Ch e ng -b i a o C h i n a V a l v e s T e c h n o l o g y C h a n g s h a C o ． ， L t d ， C h a n g s h a 4 1 0 0 0 7 ， C h i n a Abs t r ac tOn e n e w b u s hi n g r e g ul a t o r v a l v e i s i n t r o d u c e d ．I n a s p e c t s o f f l o wi n g c a p a c i t y a n d e n e r gy d i s s i p a t i o n e f f e c t，t h e ne w b u s h i n g r e gu l a t o r v a l v e a n d t h e me s h b u s h i n g r e gu l a t o r v alv e a r e c o mp are d a n d a n aly z e d a c c o r d i n g t o a p p l i c a t i o n o f t h e me t h o d o f C F D v alv e e a l c u l a t i o n．Th e r e ali z a b l e k -e mo de l i s a p p l i e d f o r t h e t u r b u l e nt c ur r e n t o n e t o c a l c u l a t e d i s c h arg e c o e f fic i e n t ，flo w r e s i s t a n c e c o e f f i c i e n t a n d e n e r gy d i s s i p a t i o n e f f e c t of t h e v alv e s a t d i f f e r e n t o p e n i n g s ．F u r t h e r mo r e ，t h e mo d e l wi t h mi x e d mu h i p l e - p h a s e fl o w s i s a p p l i e d t o s i mu l a t e c a v i t a t i o n o f flui d flo wi ng i n t he v alv e b o d y，a naly z i ng t he p e r f o r ma n c e of t he flo w-c o n t r a c t i n g b u s hi n g r e gu l a t o r v a l v e a g a i n s t c a v i t a t i o n e r o s i o n．Th e a n aly s i s s h o ws t h a t t h e flo wc o nt r a c t i ng bu s h i n g r e gul a t o r v a l v e i s wi t h a g o o d pe r f o r ma nc e a ga i n s t c a v i t a t i o n e r o - s i o n a t l o w h e a d ．As t h e f l o w c o n t r a c t i n g b u s h i n g r e gu l a t o r v a l v e f e a t u r e s l o w e r c o s t a n d n o t t o b e b l o c k e d e a s i l y ， i t i s o n e e e o n o mi e s o l u t i o n of t h e r e gu l a t o r v alv e s for t h e o p e r a t i n g c o n d i t i o n of l o w e r h e a d ． Ke y wo r d s F l o w c o n t r a c t i n g ； r e g u l ato r v a l v e ； fl o w i n g c a p a c i t y ；e n e r gy d i s s i p a t i o n ；c a v i t a t i o n e r o s i o n 0 引 言 1 9 7 0年由 B a i l e y公 司开始进行锥孑 L 喷射 的研 究 ， 通过分布在套筒上的圆锥形喷嘴孔进行节流和 消能 ， 命名为 Mu h i j e t 技术 ， 从锥孔 中喷射出来 的水 流在下游出口管路 中心汇 聚并相互撞击消能 ， 由于 喷孔的渐缩设计 ， 使流体在通过喷孑 L 时， 不断加速直 到冲出喷孔 ； 压力恢复在喷T L F 发生 ， 气蚀产生在管 道中心 ， 不会影响和破坏管道壁面与喷孔 ， 同时降低 了噪声和振动 ， 这种结构 的调节阀我们称之为网孔 套筒式调节 阀⋯。作 为网孔套筒 式调节 阀的衍生 产品聚流式调节阀， 它将 网孔改为导流筋板 ， 见 收稿 日期 2 0 1 2 -0 7 - 2 8 作者简介 方鑫 ， 工程师 ， 主要研究方 向为流体动力技术 图 1 ， 将水流分成多股射流然后相互撞击消能 ， 由于 过流截面大， 这种结构相 比网孑 L 式套筒调节 阀改进 了防堵性能。本文将采用 C F D方法 ] ， 对这种新 型的调节阀在消能 、 流通能力和抗气蚀方面进行深 入研 究 。 图 1 聚流式调节 阀原理 图 西北水 电 2 0 1 2年 增刊 1 1 7 3 1 理论模型与计算方法 图 2为聚流式套筒调节 阀的结 构示意 图， 水流 由左边管道进入阀体 ， 依靠套筒 的作用使水流在 阀 内呈环状 ， 在后端 的水流又经过多块 导流筋板的作 用使其收缩汇聚于阀后的下游管道 ， 导流筋板 的节 流作用和水流在管道 中心的相互撞击消能作用能够 有效 的降低水头 ， 达到很好 的消能效果。 图 2聚流式套 筒调 节阀结构 示意 图 1 ． 1 R e a l i z a b l e 一 湍流 模 型 由于阀内的流体流动属于紊流 ， 在进行模拟计 算过程中需设置湍流模 型 ， 本文中选取 的湍流模型 为 R e a l i z a b l e k 一 两方程模型 ， 其控制方程为 J 杀 p k u 未 [ 差 ] G 6一 p y 5 1 [ 差] p C 1S 一 2 P _旦 2 k 8 “ 与标准 一 两方程模型比较 ， R e a l i z a b l e 一 模 型在强流线弯 曲、 漩涡和旋转方面有更好 的表现 ， 模 拟结果更加真实可靠。 1 ． 2空化 数 学模型 空化与空蚀是 以液体 为工作介质 的流体机 械 水力机械 中可 能出现 的一种 物理现象。当液体 中压力低于液体 当地汽化压力时 ， 就会导致液 流中 空泡的产生、 发展和溃灭 ， 此过程以及 由此而产生的 一 系列物理和化学变化称为空化或气蚀。空化现象 的产生 ， 会改变流体机械流场的速度分布 ， 导致速度 下降等， 影响到流体机械的性能和安全。由此产生 的空蚀现象还会极大地对设备造成破坏 ， 因此 ， 流体 机械设计中应该避免空化现象的产生 。 C F D理论中基 于有 限体 积法的多相流空 化模 型主要有 S i n g h a l e t a 1 ． 模型 ； Z w a r t - G e r b e r - B e l a mr i 模型和 S e h n e r r a n d S a u e r 模 型等 。多相流模拟 过程中， 液体作为主相 ， 气相作为第 2相处理 ， 气液 之 间存在质量的交换和转化。在进行空化的模拟计 算时 ， 气泡的动力学方程可以使用广义的 R a y l e i g h P l e s s e t 方程来描述 J 鲁 3 d R s／ 喾 3 式 中 为气 泡的半径 ； p 为液体密度 ； P 为气泡 表面压力 ； P 为当地远场压力 ； 为液体速度。 本文使用 S c h n e r r a n d S a u e r 模型进行阀门内部 流动的气蚀研究 的模拟和计算 ， 多相流模型为混合 物模型 ， 其基本控制方程为。 液相输运方程 [ 1一 p f ] 1一 p V ] 一S 4 气相输运方程 a p V S 5 式 中 为质量源相 ， 表示气泡的生成和破碎过程 中 的质量转化 ， 表达式为 5 1 一 3 √ 了2 P d t P 盟 P l 口 j 6 2 计算结果 与分析 调节 阀主要用于调节通过介质的流量和压力 ， 实现调压和调流 2种功能 ， 对应地要求调节阀在全 开时具有较好的流通能力 ， 在部分 开度时具有较好 的消能效果 。本研究利用 C F D数值模拟 的方法 ， 计 算不同开度下的流动特点 ， 得 到流场 区域的压力和 速度分布信息 ， 然后利用相应 的评价方法进行其 流 通能力和消能效果 的比较和分析。 计算模型选取公称直径为 D N 3 5 0 mm的网孔套 筒式调节 阀和聚流式调节 阀， 同时设置其在套筒上 分布的孔或槽具有相同的节流面积。给定相同的边 界条件 ， 人 口为压力进 口， 设置人 口总压 ， 出 口为压 力出口， 设置出口静压 ， 计算其流场分布特性 。然后 提取流动信息计算其流量系数和流阻系数等表征调 节阀性能的相关参数量 。图 3为聚流式调节阀 内部流场的速度矢量分布图。 1 7 4 方 鑫 ， 童成 彪． 聚流 式调 节阀的数 值模 拟研 究 3 2 ； 6 9 3 9 ． 2 2 4 3 ． 5 8 一 图 3 聚流式调节阀 内部流场速度矢量 分布 图 2 ． 1 流量 系数与流 阻 系数分 析 图4和图 5分别表示网孑 L 式套筒调节阀和聚流 式套筒调节阀的流量系数 、 流阻系数 随开度变化 的 比较 。由网孔式的套筒调节阀和聚流式套筒调节阀 的流量系数和流阻系数 的对 比可知 ， 在相 同的过流 面积条件下 ， 聚流式结构 的调节阀具有较高的流量 系数和较低的流阻系数 ， 其流通能力稍优于 网孑 L 式 的套筒调节阀。 瓤 盛 煺 开度 ／ ％ 图 4 2种调节 阀流量 系数 随开度变化关 系比较 图 开度 图 5 2种调节 阀流 阻系数 随开度变化关 系比较 图 2 ． 2 消 能效果 比较 根据水力学理论 ， 流体 的能量主要分为 2部分 ， 由于静止流体所具有的静压能以及流体分子运动过 程 中的动压能。所 以在分析调节阀的消能特点时， 采用比较 阀前和阀后 的总压降低的程度 ， 从而 比较 不同结构 的调节阀的消能效果。管内流动的流体介 质的能量计算按照公式 7 进行 。 p ， 2 E z 7 Y z g 式 中 P为流体具有的静压值 ； y为流体具有的单位 重量 ； z为位置高程 ； 为管道平均流速 ； g为重力加 速 度 。 为了 比较调节 阀的消能效果的优异程度 ， 引入 消能效率的概念 ， 从而利用 比较消能效率的大小来 评价不 同调节阀所产生 的消能效果 ， 计算方法 见公 式 8 。 F ” 1 0 0 ％U 8 叩 一x 6 ， 凸i n 式中 为消能效率 ； E 为阀前水流具有的能量 ； E 。 为阀后水流具有的能量 。 通过对 C F D模拟结果的后处理 ， 利用公式 7 和 8 进行计算 ， 得到不 同开度情况下 网孑 L 式 和聚 流式套筒调节阀的消能效率 比较如图 6所示。 l O O 9 O 逞8 O 惜 7 0 6 O 5 0 0 图 6 l O 2 O 3 O 4 O 5 O 6 O 7 O 8 0 9 0 1 0 0 开度 2种调节阀消能效 率随开度 变化关 系比较 图 由图 6可以看出 2种结构的调节 阀均具有较好 的消能效果 ， 其 在全开状 态下 的消能 率能够 达到 6 0 ％以上， 而网孔式的套筒调节阀结构 的消能效果 要稍优于聚流式的结构 。 2 ． 3抗气蚀性能分析 网孑 L 式套筒调节 阀由于其套筒上 的渐缩锥孑 L 的 设计特点使气泡远离 阀壁从而控制气蚀对设备 的损 坏 ， 其优异的抗气蚀能力使其能够 应用到各种复杂 的工况条件下 ， 而不会产生噪声和振动。聚流式调 节 阀在抗气蚀方面可能会没有前 者效果好 ， 但其导 O O O O O O O O l‘ 瓤 咖爆 ∞ 如 加 0 西北 水 电 2 01 2年 增 刊 1 1 7 5 流筋板 的设计使其过流面积呈渐缩状态 ， 同样避免 了气泡在套筒壁面上 的形成 和破碎 ， 其结 构设计 同 样具有较强的抗气蚀性能。下面将进行 阀门内部流 动的气蚀研究。 新设计的聚流式套筒调节 阀由于将锥孔改为设 置连接筋板节流 ， 其对 阀门的抗气蚀性 能有一定 的 -R 础 4 0 2 0 O O 8O 6 0 4 0 20 0 0 7 5 5 0 2 5 0 0 7 5 5 O ．2 5 0 0 7 5 5 O 2 5 ， 幽 趟 影响。这里使用 C F D数值计算 的方法进行聚流式 调节阀的气蚀现象的研究 ， 运用混合两相流模型， 设 置 S c h n e r r a n d S a u e r 空化模型进行流场 的定常模拟 计算 ， 得到区域 内压力和速度分布特性 ， 以及有可能 产生气泡的位置和气相的体积分数 。 0 0 7 5 5 0 2 5 0 0 7 5 5 O 2 5 0 0 75 5 0 ，2 5 3 5 3 O 2 5 2 0 】 5 l 0 ．O 5 0 0 5 O 图 7 不 同水头条件下 的调节 阀内压 力随管道轴线的分布规律图 图 7显示的是在不 同进 口水头的条 件下 ， 阀内 筋板连接位置的压力沿管道轴线的分布规律。由图 7可知 ， 高水头流体由套筒 向槽 内喷射 ， 由于筋板的 节流作用 ， 压力迅速下降， 然后再通过筋板之后汇聚 在下游管道 中心 ， 各股水流相互撞击消能之后 ， 还有 部分动能又转化为静压能 ， 在管道 中心压力有部分 上升。由气蚀的产生机理可知 ， 当管 内的液体压力 降低到气体 的饱和蒸汽压力值以下后 ， 液体迅速汽 化产生气泡 ， 然后在后面的流动过程中， 管道内的液 体压力又恢复到气体的饱 和蒸 汽压力值 以上 ， 各气 泡在液体的相互挤压下破碎 ， 从而产生气蚀 。 所 以， 在聚流式套筒调节阀内最有可能产生气 蚀的位置在下游管道的中心处 ， 由于气泡 的破碎位 置远离了管道壁面 ， 该结构能够很好 的避免 了气蚀 图8水头为 1 5 0 m工况时区域 内的气相体积分数分布云图 对阀门的破坏。但是导流筋板向管道 中心具有一定 的延伸距离 ， 中心位置的气蚀 区域有可能会对筋板 造成 影 响 。 图 8显示的是在水头为 1 5 0 m情况下调节阀整 个流场区域内的气相体积分布云图 ， 由图 8可知 ， 当 进 口水头较高时 ， 导流筋板 出 口处 的水流冲击较为 剧烈 ， 在调节阀的下游管道壁面附近将会产生气蚀 并对管壁形成不利影响。 3 结语 通过对具有相同过流面积的网孑 L 式调节 阀和新 型聚流式调节 阀结构进行 流通 能力和消能效果 的 C F D比较计算和分析。得到以下结论 1 聚流式套筒调节阀和网孔式套筒调节阀具 有相同的流道模型与消能减压机理。上游 的流体介 质进人阀体后 ， 由设置在套筒圆周上 的系列喷孑 L 或 导流筋板进行节流 ， 流体通过喷孑 L 和筋板后成为高 速喷射水流并在下游管道 中心位置汇聚， 由于水流 呈环形对称喷出， 相互之间进行撞击消能 ， 此过程 中 大部分的动能被消除 ， 使得进入下游管道的水流具 有较低 的能量。 下转第 1 8 0页 1 8 0 刘立峰 ， 张军智 ， 刘君． 水电站变压器水喷雾包络线消防系统应用 表 3 水雾喷头实际数量表 表 4 水喷 雾流量计算表 计算所需流量／ L m i n 。 S 6 S 7 x Wl 实际流量／ L ra i n 1 凡 2 3 x l O 0 n 4 x 2 0 0 4 结语 通过以上分析计算和作喷头水雾包络线图得知 在变压器所在立体空间， 选择的水喷雾管网层数 、 喷 头数量和形式合理， 确定和调整喷头安装参数 ， 在火 灾发生时既能满足喷雾强度 ， 又能形成立体包络 的 保护范围， 提高水喷雾灭火的效率 ， 从而达到变压器 灭火的有效性和时效性 。 参考文献 [ 1 ] 皮东海． 水 喷雾灭 火系统设计及其 发展 [ J ] ． 南 昌航空_T业 学 院学报自然科学版 ， 2 0 0 5， 4 5 9 6 1 ． [ 2 ] 黄本 功， 李世 友． 水 喷雾灭 火系统 在大 型火力 发 电厂 的应 用 [ J ] ． 西南林学院学报， 2 0 0 7， 4 7 6 7 9 ． [ 3 ] G B 5 0 2 1 9 9 5水喷雾灭 火系统设 计规范 [ S ] ． 北京 中 国计 划 出版社 ， 1 9 9 9 ． 上 接 第 1 7 5页 2 在相 同的工况条件下 ， 设 置相 同的节流面 积 ， 分析聚流式和 网孔式套筒调节阀的水力特性可 知 两种 阀门均具有较好 的流通能力 和较佳 的消能 效果 。网孔式调节 阀消能效果 要优于 聚流式调节 阀， 另一方面聚流式调节 阀则具有较好的流通性能 ， 流量系数较高。总的来说 ， 在相 同工况和相 同的过 流面积情况下 ， 2种调节 阀的消能效果和过流能力 相差在 5 ％ 以内。 3 网孔式套筒调节阀喷孔的渐缩型设计使其 具有优异的抗气蚀性能 ， 即使 出现气蚀也不会对管 道壁面造成破坏 ； 而聚流式套筒调节阀中的多块导 流筋板的结构同样形成 了相似的流道收缩特点， 由 C F D数值模拟计算可知， 其压力恢复的位置亦 出现 在管道中心 ， 但是 阀体上的导流筋板是向管道 中心 延伸有一定的距离 ， 中心处 的气蚀会对筋板造成一 定影响。同时 ， 由于导流筋板结构形成的是管道 内 的狭长形通道 ， 其在管道 内的伸 出部分前后两端未 封闭 ， 造成在下游 出水 管道 的水流 冲击较 为剧烈。 由 C F D分 析可知 ， 当调节阀进 口水头较 高的情况 下 ， 聚流式调节阀在下游管道壁 面附近将 会产生气 蚀并对管壁形成不利影响。聚流式调节阀可以看做 是网孔式套筒调节 阀的简化 ， 即将数量众多的小孔 等效为较少数量的槽 口同时加装连接筋板 ， 其抗气 蚀的性能也就相应地减弱了。 综上所述 ， 聚流式调节 阀的消能效果和抗气蚀 能力弱于网孑 L 套筒式调节 阀， 但 由于其优异的抗堵 塞性能和低成本 ， 是较低水头 1 0 0 i n 的工况条件 下的水流调节的经济型解决方案。能在水电站的机 组旁路和生态供水、 引水、 供水工程 中予以应用 。 参考文献 [ 1 ] 陆培文． 调节阀实用技术 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] 韩宁 ， 冯卫民． 应用 F l u e n t 研究阀 门内部 流场 [ D] ． 武 汉 武汉 大学 ， 2 0 0 5 ． [ 3 ] 王福军． 计 算流体动力 学分析 一 C F D软件原 理与应用 [ M] ． 北 京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] T ． 一 H_S h i h ，W．W．L i o u ， A．S h a b b i r ， Z ．Y a n g ，a n d J ．Z h u ． A Ne w Ed d y Vi s c o s i t y Mo d e l f o r Hi g h Re y n o l d s Nu mb e r T u r b u - l e n t F l o w sMo d e l D e v e l o p m e n t a n d V a l i d a t i o n[ J ] ． C o m p u t e r s F l u i d s ． 1 9 9 5 ， 2 4 3 2 2 7 2 3 8 ． [ 5 ] G．H．S c h n e a n d J ．S a u e r ．P h y s i c a l a n d N u m e ri c al Mo d e l i n g o f U n s t e a d y C a v i t a t i o n D y n a mi c s [ c] ／ ／ I n F o u a h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Mu h i p h a s e F l o w，Ne w Od e a n s ，US A， 2 0 01 ． [ 6] A ．K ．S i n g h a l ，H．Y．L i ，M．M．A t h a v ale ，a n d Y．J i a n g ． Ma t h e ma t i c al B a s i s a n d Vali d a t i o n o f t h e F u l l Ca v it a t i o n Mo d e l [ c ] ／ ／ A S ME F E D S M’ O 1 ．N e w O r l e a n s ，L o u i s i a n a ， 2 0 0 1 ． [ 7 ] P ．J ．Z w a r t ．N u m e ri c a l Mo d e l l i n g o f F r e e S u r f a c e a n d C a v i t a t i n g F l o w s [ G ／ ／ V K I L e c t u r e S e ri e s ， 2 0 0 5 ． [ 8 ] c．E ．B r e n n e n ．C a v i t a t i o n a n d B u b b l e D y n a mi c s [ M] ． O x f o r d U niv e r s i t y P r e s s ， 1 9 9 5． [ 9 ] J B T 5 2 9 6 1 9 9 1 ， 通用 阀 门流 量 系数 和流阻 系数 的试 验方 法 [ s ] ． 『 1 O ] G B ／ T 1 7 2 1 3 ． 1 1 9 9 8， 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