基于ANSYS的閘閥阻力系數研究

2013-07-06 鄒鑫常州大學機械工程學院

　　應用有限體積法，借助專用于分析二、三維流體流動場的先進工具———ANSYS軟件的FLOT-RANCFD工具，分析計算了閘閥的內部流場特性。依據流場的壓力分布計算了不同開度、進口速度和內徑下閘閥的阻力系數。指出閥門的阻力系數不僅與開度、進口速度有關，還與管徑相關;不同管徑的閥門，在同一開度、進口速度下的阻力系數不同。

　　無論是在流體機械還是在流體傳動與控制系統中，都會用到各式各樣的閥門，這些閥門裝置的主要功能是對流體的流量、壓力和流動方向進行調節和控制，以滿足工作系統的要求。該過程中要求閥門控制可靠、阻力小、損失少。21世紀以前，對各類閥門尤其是閥門流道流動特性的研究尚未引起重視，在設計中基本上還是依據常規設計方法和經驗，只考慮結構型態而不考慮流阻損失，從而引起較大的能耗。近年來，隨著計算流體動力學(CFD)和計算機技術的飛速發展，數值模擬手段廣泛應用于流體內部復雜流動的研究上。筆者對閘閥的阻力特性進行了研究，通過ANSYS軟件的FLOTRANCFD工具模擬了閘閥內部的流場。

1、模型與數值方法

　　筆者主要研究的是閘閥內部流場，簡化閘閥原型，使得閘閥通道為圓形通道，閘板為平板閘板。因此只需建立帶有閘板的閘閥通道模型，閘閥的CFD模型與實物呈1∶1，以閘閥左下端點為原點，建立直角坐標系，其幾何模型如圖1所示(以閘板開度50%為例)。

圖1 平行式單閘板閘閥幾何模型

　　采用閥門的進口速度和進口壓強作為進口的邊界條件，在絕對參考系下給定一均勻來流，方向垂直于進口面，速度大小分別為1、2、3、4、5m/s，強度和水力直徑由公式推導出，進口表面壓強為2kPa;出口邊界采用自由出流，由于全部流場只有一個出口，其出口表面壓強設為0;由于在固壁處質點滿足無滑移邊界條件，設壁面速度為0。

　　筆者根據閘閥的特點，采用k-ε二方程湍流模型，選用ANSYS軟件的流體動力學分析類型進行分析，借助專用于分析二、三維流體流動場的先進工具———ANSYS軟件的FLOTRANCFD工具分析計算了閘閥的內部流場特性。

2、計算結果及閘閥阻力系數的計算

　　當水溫為20℃時，其密度為998.2kg/m3，粘度為100.5μPa·s。當閘閥內徑為DN50mm，開度分別為10%、20%、25%、35%、45%、50%、60%、75%、100%，進口速度分別為1、2、3、4、5m/s時，模擬計算出閘閥內部的節點壓力場分布(圖2)。

圖2 閘閥內部的節點壓力場分布

　　根據流體力學理論可知，閥門的阻力特性定義為：

　　式中 Δp———閥門前后的壓差，Pa；ξ ———閥門的阻力系數；u———橫截面處的平均流速，m/s；ρ———流體的密度，kg/m³。

　　從圖2中可以清楚地讀出最低靜壓值，算出最低靜壓值與進口壓強差，進而算出閘閥的阻力系數。

　　當進口表面壓強為2kPa，進口速度一定時，作閘閥阻力系數隨開度的變化曲線(圖3)。從圖3可以看出，當進口速度一定時，隨著閘閥開度的不斷增大，其阻力系數減少。當閘閥開度一定時，隨著進口速度的不斷增大，其阻力系數減少。

圖3 進口速度一定時閘閥阻力系數隨開度的變化

　　對不同管徑(DN25、DN100、DN200)的閘閥分別進行了模擬，并與DN50的閘閥模擬結果進行了對比分析。當進口速度為3m/s，進口表面壓強為2kPa，閘閥內徑一定時，作閘閥阻力系數隨開度的變化曲線(圖4)。從圖4可以看出，當閘閥內徑一定時，隨著閘閥開度的增加，閘閥阻力系數減少。當閘閥開度一定時，隨著閘閥內徑的增大，閘閥阻力系數也是增大。