4 数值模拟结果

数值模拟的结果表明,当阀门关闭到一定的角度时,在阀门附近开始出现漩涡流动。蝶阀、闸阀和球阀模拟状态如图1、图2和图3所示。

(b)

(a)蝶阀模型 (b)蝶阀附近流速矢量图

图1 蝶阀模型及蝶阀附近流速矢量图

(a)

       (b)

(a) 闸阀模型 (b)闸阀附近流速矢量图

图2 闸阀模型及闸阀附近流速矢量图

 从图1可以看出,由于蝶阀蝶板背面存在局部低压区,从蝶板上方越过的流体部分折向下方流,从蝶板下方流过的流体部分折向上方流,形成2个大小相近、方向相反的漩涡。在这2个漩涡向下游发展过程中,相互作用,逐渐减弱。当蝶板关闭的角度继续增大时,回流区域也逐渐增大,并控制整个流场结构,在蝶板的上方和下方分别形成两个很大的回流区,回流中心的压力最低。当蝶板关闭角度较大时,蝶板下游出现大范围的回流区控制着流场结构。在蝶板关闭角度较小时,在与管道轴线垂直的截面上形成一对大小相近、方向相反的漩涡控制着流场。
从图2可以看出,闸阀只有一个漩涡,出现在闸板与管道的壁角处,向下游发展并逐渐消失。

(a)

(b)

(a)球阀模型 (b)球阀附近流速矢量图

图3 球阀模型及球阀附近流速矢量图

 从图3可以看出,从球阀球体下方流过的流体部分折向上方流,在球阀内形成与流动方向相反的漩涡。同时在球阀外形成一个与球阀内漩涡大小不等,方向相反的漩涡,且球阀的外涡形成在阀门外的壁角处,阀门外的涡量大于阀门内的涡量。
3种阀门的漩涡形成的位置不同,并且由于阀门结构不同,涡的尺度也不同。通过数值模拟,从阀门下游流场图可以看出,随着阀门开度的减小,球阀阀门后涡的尺度增大。

另外由以上数值计算结果可以得知,当流体流经阀门时产生的能量损失主要是流动收缩引起的能量损失,漩涡的旋转要产生能量损失,流动的扩张要产生能量损失。可以说,阀门的节流作用是以流动的能量损失为代价的,阀门开度越小,能量损失越大。同时由于湍流的作用和漩涡的出现使海水管路系统的振动和噪声增大。对海水管路系统的工作状态有很大的负面影响。