阀门流场的数值模拟及流噪声的实验研究

吴 石,张文平

(哈尔滨工程大学动力及核能工程学院,黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要 采用非结构、非交错网格的有限体积法求解用二方程模型封闭的雷诺平均N - S方程组,对水管路系统中3种常见阀门的三维分离流动进行数值模拟。模拟结果表明,随着蝶阀、闸阀和球阀开度的减小,流体在蝶阀背面、球阀阀门内外分别形成两个方向相反的漩涡,闸阀的漩涡出现在挡板与管道的壁角处,并且漩涡在阀门下游逐渐消失。同时实验表明,阀门下游的流噪声大于阀门上游的流噪声,涡声是阀门噪声的主要来源。

关键词 阀门;流场;数值计算;流噪声;涡声

中图分类号:TB52文献标识码:A

1 概述

无论是在流体机械中,还是在流体传动与控制系统中,都会用到各种各样的阀门,这些阀门装置的主要作用是对流体的流量、压力和流动方向进行调节和控制,以满足工作系统的要求。因此,从安全、减振及降噪的角度出发对各种阀门附近的流场进行计算,进而对其性能进行分析是十分必要的。然而,由于阀门结构、边界条件及支配方程的复杂性,对其进行解析研究是比较困难的。一般采用有限差分法、有限体积法、边界元法和有限元法等几种不同的数值离散方法〔1〕进行分析。本文针对海水管路系统中的阀门对整个管系的流动影响,采用计算流体力学中常用的非结构、非交错网格的有限体积法,模拟蝶阀、球阀和闸阀3种阀门附近的三维分离流动。并通过实验研究证明,阀门附近的漩涡〔2〕是阀门产生流噪声的主要原因。

2 数学模型

流体在管道内的流动实际是湍流流动,由于湍流过程的复杂性和工程计算的多层次决定了湍流模型的多样性,不同的湍流模型有不同的适应范围。为确定N - S方程中的涡旋粘性系数μ,目前有许多的湍流模型〔3〕可以选择。本文采用k -ε二方程湍流模型对阀门内部的流动进行数值模拟。

对于非定常不可压粘性体的流动,因为是不可压流,所以连续方程为

 在流体的粘性系数μ=const的情况下,动量方程为

 (2)

 湍流涡运动粘性系数计算公式

湍流动能k的输运方程

 湍流耗散率ε的输运方程

 湍流动能和耗散率生成项Gk和Gε的计算公式

 式中U——— 进口介质的速度,m/s Cμ、Cε1、Cε2、σk、σε———k -ε湍流模型的常数

采用非交错网格的有限体积法〔4〕对各控制方程组进行离散,控制体积的界面位于网格各个结点的中间平面上,利用压强校正法求解各个变量。壁面附近的流动采用壁面函数进行模拟。

3 初边值条件的确定
将上述数学模型应用于具有阀门的管道中。管道内径D =200 cm ,阀门上游管道长LJ =300cm ,下游管道长LC =300 cm ,其管道内流体温度为室温t =288 K ,密度ρ=1000.5 kg/m3 ,运动粘性系数υ=1.0×10-6m2/s。粘性流体在管壁边界处或阀门关闭件处,速度的边界条件要满足无滑移条件,即固壁上的速度U =0。
进口边界条件

 式中

Wmax——— 最大速度, m/s

R max——— 管道直径, cm

取Wmax =1.0 m/s , R max = 200 cm

出口边界条件

P =0

湍流动能k和耗散率ε为

k =1.5 I2U02

ε=ρCμk 2/ U0

μt =1000 Iμ
式中 I——— 紊流强度(取I =0.05)