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電動調節閥內部流場基于Fluent的數值模擬研究介紹
 
 
信息來源:原創  發布人:zjczv  發布時間:[2013-7-9]
 

    研究的電動調節閥主要用于空調、制冷、采暖等樓宇自動控制系統中冷/熱水,蒸汽的流量調節。它是一個不可缺少的控制元件,同時也是產生能耗的元件。因此,研究調節閥的水力特性,↓對于降低能量損失以及指導調節閥設計有十分重要的意義。由于電動調節閥內部流動極其復雜,對于調↓節閥水利特性的研究主要還是以試驗為主,成本高,耗時長,不利于新產品的開發。隨著計算機與⊿CFD的發展,☺CFD數值模擬的優越性越來越明顯,它不僅能詳細地顯示調節閥的內部流場,而且⊿相對于實驗研究,它有其獨特的優點:研究成本低,周期短;能在計算機上直觀地顯示結果,便于優化設計;同時,它具有很好的重復性,條件容易控制。

        利用Fluent軟件對調節閥內部的三維粘性流場進行了數值模擬,并對可視化結果以及流量特性進行了分析。

一、幾何建模                                                                

        ¤需要建立內部流體區域的模型,使用CATIA軟件建模,考慮到對稱性結構以及計算速度,取閥門內部流道區域的一半作為計算區域。為了使流體充分流動,前后管道分別加長2倍管徑和5倍管徑。

二、流場分析理論基礎

       ¤ 假設調節閥內部流動為三維不可壓縮粘性流動,…內部流體為紊流流動。用標準κ-ε紊流模型來封閉湍流時均運動控制方程。

     (1)不可壓縮流體的連續性方程:

  

    (2)不可壓縮流體紊流運動方程:

  

    (3)標準κ-ε方程:

  

    (4)紊流動能κ的方程:

  

    (5)耗散率ε的方程:

   式中:

    ρ—流體密度;
    ui—流體沿方向的速度分量;
    p—流體微元體上的壓力;
    μ—動力粘度;
    υt—湍動粘度;
    κ—湍流動能;
    ε—耗散率;
    υ—運動粘度;

  •  模型常數:Cε1=1.44,Cε2=1.92,σκ=1.0,σε=1.3。

三、網格劃分與邊界條件

     利用Fluent前處理軟件Gambit進行網格劃分,在閥芯附近,速度與壓強的梯度比較大,因此在此處進行網格細化,采用的是非結構化的四面體網格;而在進出口采用六面體網格。總網格數在(15~20)萬之間,如圖2所示。以進、出口壓力作為邊界條件。

 

                                                                        圖2 計算網格

四、定常計算

        采用分離求解器(Segregated)進行求解,流體介質為水,密度為1000kg/m3,動力粘度系數為υ=0.001003Pa•s。設定邊界條件為進口壓力和出口壓力,湍流模型采用標準κ-ε方程,模型參數設為湍流強度I和水力直徑D。近壁區采用標準壁面函數法,固壁面采用無滑移邊界條件。壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法,離散格式全部采用二階迎風格式,求解過程中松弛因子為:壓力項0.2,速度項0.5,紊流動能和耗散率均為0.5,監視進、出口的質量流量。

五、計算結果及分析

     對DN40調節閥全開時進行模擬分析,迭代15000次達到收斂,模擬結果,如圖3~圖10所示。從殘差圖以及進口流量監測圖,如圖3、圖4所示。可以看出,收斂效果很好,說明所建模型以及計算方法是合理的。

 

 1、內部流場分析

    (1)從速度圖和壓力圖來看,如圖5、圖6所示。管道進、出口速度與壓力分布比較均勻,表明所取得計算區域可以讓水流充分流動,水流至閥芯底部時滯至,此處壓力升到最高。當水流至閥芯與閥座之間時,流通面積迅速減小,此處的壓力也迅速降低,而速度達到最大,流過閥芯時,壓力上升而速度下降。

 

圖5 流場速度分布圖

 

圖6 流場壓力分布圖

    (2)從壓力等值線來看,如圖7所示。在閥芯附近分布較密,壓力降主要集中在此。

 

圖7 壓力等值線分布

    (3)從速度矢量圖可知,如圖8所示。經閥芯流出的主流集中在管的頂部,流速不均勻。

 

圖8 速度矢量圖

    (4)從紊流動能等值線圖可知(圖略)。紊流動能在閥芯附近分布最密,紊流動能最大,能量損失主要集中在此。

    (5)從流線圖可以清楚地看到(圖略)。在上閥腔的右下側以及下閥腔左上側有較大范圍的漩渦,并在上閥腔右下側形成了劇烈紊動的分離回流區,引起能量損失。

    2、流量特性分析

       ¤ 調節閥的流量系數定義為:溫度為(278~323)K(5~40℃)的水在105Pa壓強下,1h內流過調節閥的立方米數,用m3/h表示。

    即

    式中:

    KV—調節閥的流量系數;
    Q—調節閥流量,m3/h;
    △P—調節閥前后壓差,KPa。

    對DN40-DN80調節閥數值模擬的結果,如表1所示。由表1可知:KV值誤差并不大,表明模擬結果是可靠的。

表1 DN40-DN80調節閥數值模擬

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