3 固定球阀内流场数值模拟分析

根据计算阀门流量系数的方法。对10 -8 -150LB缩颈球阀进行内流场数值模拟。其中采用数值模拟实现软件为COSMOS/FloWorks流体分析软件和Solid-Works三维建模软件。

 (1)利用SolidWorks建立10 -8 -150LB缩颈球阀三维模型如图2所示。

图2 数值模拟分析模型

 (2)将缩颈球阀三维模型导入COSMOS/FloWorks,并根据COSMOS/FloWorks流体分析软件要求, 完成单位制设定、定义流体介质、定义定数值模拟分析流态类型和定义网格划分规格等数值模拟部分的前期工作。

(3)由阀门流量的计算公式可以得知, 数值模拟主要的目的就是要求解出阀门两端的压差。故在分析计算时, 还应定义阀门的进口压力即为阀门的公称压力值2.5MPa。而要使得所建立的求解方程收敛, 根据伯努利方程:

其中, P为压力能;ρ为流体密度;V为流体速度;为为重力加速度;C为为一常数。

式中前两项即为压力能和动能之和等于后项的机械能。机械能为一常数, 其物理意义为单位重量的流体, 其机械能在流体所流经的任何位置上都是相同的。所以要是求解方程收敛, 即还需定义流体的流速, 又因为Q/S=V, 即流量除以流体所经的面积, 就为流体流速。因阀门量一般是知道的, 所以在求解压差时我们还需定义阀门出口的流量。

为了准确求得阀门的流量系数, 固定阀门公称压力是通过改变阀门的出口流量对比求得阀门的流量系数,以确保所求解值得的准确性。

(4)数值计算及结果分析

对阀门两端压差的求解过程中, 定义阀门的进口压力为其公称压力, 而通过改变其流量来分别求得其差。

① 阀门进口压力为2.5MPa, 出口流量为0.1m³ /s的内流场压力分布如图3所示。

图3 出口流量为0.1m³/s数值模拟分布图根据模拟分布图3, 分析结果和理论吻合。其一由于重力作用使得流体底部的压力值高于流体顶部的压力值;其二在缩颈处由于流体速度增快, 由伯努利方程可知这时的压力值是随之降低的;其三阀门前后端由于流道的突然扩充与突然减小, 流体介质所接触阀门处的摩擦力, 使得前后端口存在压差。

通过探测可得知阀门前端和后端的压力值, 相减即为压差:

前端压力值:2533125Pa

后端压力值:2530457Pa

Q值:360m³ /h

Cv值:220.40m² /3600

② 阀门进口压力为2.5MPa, 出口流量为0.25m³ /s的内流场压力分布如图4所示。

由图4可知, 由于流量的增加, 重力对介质底部的压力影响明显减小。其他原理分析同介质的体积流量为0.1m³ /s。

通过探测可得知阀门前端和后端的压力值, 相减即为压差:

图4 出口流量为0.25m3 /s数值模拟分布图

前端压力值:2533125Pa

 后端压力值:2516425Pa

Q值:900m³ /h

Cv值:220.23 m² /3600

③ 阀门进口压力为2.5MPa, 出口流量为0.5m3 /s的内流场压力分布如图5所示。图5 出口流量为0.5m³ /s数值模拟分布图由图5明显可知由于介质流量的继续增加, 介质在阀体流场内的分布已很均匀。通过探测可得知阀门前端和后端的压力值, 相减即为压差:

前端压力值:2533125Pa

后端压力值:2466455Pa

Q值:1800m³ /h

Cv值:220.45m² /3600

通过上述对不同介质流量的分析计算, 可得知在介质分别处于0.1m³ /s、0.25m³ /s和0.5m³ /s时计算的阀门流量系数的Cv值分别为220.40m² /3600、220.23m² /3600 和220.45m² /3600。可见其误差是非常小的。所以通过以上分析计算所得到的Cv值是可信的。

4 结束语

论文针对阀门内流场计算分析进行实体模拟实验的复杂性及其缺乏, 以及进行阀门设计计算的需要, 应用CFD技术, 采用COSMOS/FloWorks工具计算得出了样本球阀的流量系数, 通过理论计算和计算机模拟分析计算比较验证了计算的一致性。研究揭示了球阀内流场压力的分布情况规律, 为现实的设计生产提出了一种较为简单易行的计算阀门流量系数的方法。