1、概述

　　安裝在管路上的閥門,當有介質流動時要產生局部阻力,克服這種阻力要消耗能量。能量的消耗表現在壓差的速度損失上,因為閥前壓力比閥后壓力高,這就需要確定某些與閥門流體阻力有關的數據。如壓力損失(閥前和閥后的壓力差)等等。

　　近年來,隨著計算機技術的迅猛發展,某些發達國家已經在閥門領域的研究與開發中運用流體流動分析軟件( FFSS———Fluid Flow Simulation Software)進行設計方案的測定及其改進。現階段,我國對閥門流量系數和流阻系數測定的方案主要集中在傳統的實物安裝測定上,而從水利的角度對其內部流場的研究投入較少,使得對閥門的流量系數和流阻系數在設計上得不到很好的控制。為了更好的改進閥門的流通性能,減少設計及試驗成本,運用數值模擬的方法分析其內部流場是十分必要的。在真空技術網發布的本文運用COSMOSFloWorks流體分析軟件,對船用消防閥在全開和半開情況下的流場進行了數值模擬,及流體在消防閥內的流動分析。

2、流程分析

2.1、設定分析項目

　　設消防閥內部流動的介質為水,依據JB /T 5296-91的有關規定(水流通過閥門達到穩流時的流量系數) ,選擇流動模型為單向流體的不可壓縮粘性流動,無氣穴現象,端墻設置為絕熱壁,采用不可壓縮流動的雷諾方程組與κ-ε紊流模型構成封閉的分析模型。

2.2、消防閥流道模型及網格劃分

　　以DN65的消防閥(圖1)為例,保證流體的穩定流暢性,取閥前管道長度L1=5D(D為管道直徑) ,閥后管道長度L2=5D作為分析的封閉區域。網格劃分采用了非結構混合網格技術,利用COS-MOSFloWorks的網格劃分功能對其進行網格劃分,采用自適應的網格技術對流場進行模擬。

2.3、邊界條件

　　消防閥的邊界條件主要有入口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件等。

　　①入口邊界條件　選擇流體入口的流體流速為消防閥介質的入口流速。

　　②出口邊界條件　選擇流體的出口壓力為消防閥介質的出口邊界條件。

　　③壁面邊界條件　選取為粘性流動,采用壁面無滑移條件。針對粘性底層和過渡層采用壁面函數法求解。

　　紊流模型采用標準κ-ε模型。規定進口邊界條件為velocity-inlet,進行閥門的流體計算時,必須知道管路流速v,此速度可以通過流量來確定(G(t/h)或Q(m³/h)) ,或參考表1選取。選定管道進口速度V=2m/s,出口邊界條件定為靜態壓力P =1.01325MPa。

表1　一般采用的管路流速m/s

圖1　消防閥

3、求解結果分析

3.1、基礎理論

　　流阻系數用于表征物體對流體流動的阻力大小, 是一個無量綱數。隨著流速的加大, 流體的流動狀態將經歷層流區、層流到紊流的過渡區、水力光滑區和水力粗糙區等幾個狀態, 其中前3個狀態流阻系數ζ與雷諾數(Re)相關, 是一個變值。當流體過渡到水力粗糙區, 也就是阻力平方區后,流阻系數ζ與Re 無關, 成為一條水平線, 壓力損失△P與流速V的平方成比例, 流阻系數只與相對光滑度r0/ε相關。因此, 在流體工程領域, 流阻系數定義為阻力平方區的常數值, 流阻系數取值的前提條件是流態進入阻力平方區。判斷依據是Re>Rec , (Rec ———邊界雷諾數) 取Rec=2300。圓管定常流動的下臨界雷諾數取2300。