蝶阀作为一种用来实现管路系统通断和流量控制的零部件,广泛应用于能源输送、化学工程、给水排水等的系统管路上,适合于在液体、半流体及固体粉末管线容器上作为调节和节流设备使用。蝶阀在一定开度下,流体通过时,阀板下游侧会形成漩涡,导致管道内流体能耗增加,同时可能会引起管道气蚀和振动。流体流过阀门时,改变阀门开度,阀板驱动轴的驱动力矩会发生变化。
关于蝶阀漩涡如何消除以及蝶阀力矩特性如何改善的相关研究较多,如吴东垠等设计了一种仿贝壳型蝶阀蝶板,该设计利用仿生学原理,能够有效降低在非关闭状态下流体流经蝶阀时的压力损失,减少蝶板下游漩涡的 生 成;何庆中等利 用CFX软件对某三偏心蝶阀流场进行了数值模拟,发现开度较小时蝶阀下游涡街现象强烈,对蝶板结构进行优化后涡街效应明显减弱;何建慧等在阀板加强筋上开设过流孔,大大增加了流体流量,有效消除了阀板表面漩涡,降低了流动阻力;郑鹏等利用ANSYS FLUENT软件对蝶阀入口处进行高温烟气仿真得出阀开度小于30°时会出现涡流,且阀板开度越小,涡流现象越明显。
为了消除蝶阀小开度时流体通过阀板后产生的漩涡,本研究提出一种对管道进行改造的方法,在原直管蝶阀出口附近处安装一渐扩渐缩管,并比较直管及加装渐扩渐缩管后的管道中阀板开度不同时的流场和驱动力矩,以期为优化阀板驱动力矩提供一种新思路。
1 直管流场分析
1.1 蝶阀直管管道基本参数
以某燃气设备进气道上Φ1000mm的标准蝶阀为研究对象。该蝶阀安放于直管中,其结构示意图如图1所示。图1中,管道左边为进口;θ为蝶阀阀板的开度;O为阀板中心,处于管道的正中心位置。管道的基本参数为:管道内径D=1m,计算长度Lo=5D。
图1 直管中的蝶阀安装示意图
1.2 模型和边界条件设定
(1)计算模型。由于介质黏度极低,流动状态为湍流,故选取标准湍流k-ε模型。
(2)材料参数。流体介质为空气,其马赫数不大于0.3,可近似处理为不可压缩;密度为1.225kg/m3;温度为300K。
(3)边界条件。进出口设为压力入口和压力出口,其中入口压力为Pin=0.03MPa,出口压力为Pout=0MPa。近壁区采用标准壁面函数法,固壁面采用无滑移边界条件;压力和速度的耦合采用SIMPLE算法,离散格式全部采用二阶迎风格式。
为了能更好地查看阀板附近的流场,将整个CFD模型划分为阀体和管道两部分,而在阀板附近模型相当不规则,因此将阀板附近区域的网格进行加密,共划分网格总数约为105个。数值仿真中阀板开度范围为0°~90°。
1.3 控制方程
气体在阀门及管道内流动是三维的,计算模型采用文献中的方程式(1)~式(5)。模型参数取值为:Cμ=0.09,C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3
1.4 仿真结果与分析
不同阀板开度下直管流场的部分速度矢量图如图2所示。由图2中可以看出,当阀板开启时,阀板后侧面处气流出现了漩涡。漩涡的产生主要
(a)θ=30°
(b)θ=40°
(c)θ=70°
图2 直管流场的速度矢量图
是因为气体流过阀板时产生了边界层分离,下游气体进入进行补充,产生回流,进而生成漩涡。当阀板开度θ较小时,漩涡的强度较大;随着阀板开度θ的增大,阀板与气体来流方向的夹角(90°-θ)减小,边界层分离减弱,漩涡强度也减弱;同时,随着阀板开度θ的增大,漩涡中心逐步向阀板转轴中心处靠近。
(来源:中国泵阀第一网)
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