基于ANSYS的闸阀内部流场模拟

邹 鑫 袁惠新 刘亚莉

（常州大学机械工程学院） （郑州轻工业学院材料与化工学院）

基于ANSYS的闸阀内部流场模拟

邹 鑫*袁惠新 刘亚莉

（常州大学机械工程学院） （郑州轻工业学院材料与化工学院）

借助于分析二维和三维流体流动场的先进工具——ANSYS软件的FLOTRAN CFD工具， 运用有限体积法，计算了闸阀的内部流场并分析其特性。根据流场的压力分布进一步讨论了阀门开度、流体流速对汽蚀的影响。

数值模拟 有限体积法 闸阀 ANSYS 流速 计算流体动力学

0 前言

无论是在流体机械中， 还是在流体传动与控制系统中， 人们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。对阀门的要求：一是控制可靠；二是阻力小、损失少。21世纪前，对各类阀门， 尤其是对阀门流道流动特性的研究尚未引起重视， 在设计中基本上还是依据常规设计方法和经验， 只注重结构型态而不注重考虑流阻损失， 从而引起较大的能耗。近年来，随着计算流体动力学 （CFD）和计算机技术的飞速发展，数值模拟手段已广泛应用于内部的复杂流动研究。本文通过ANSYS软件的FLOTRAN CFD工具模拟了闸阀内部的流场，并对闸阀的阻力特性进行了研究。

1 模型与数值方法

本文主要研究的是闸阀内部流场。笔者将闸阀的原型简化，使得闸阀通道是圆形通道，闸板是平板闸板，故在此只需建立带有闸板的闸阀通道模型。闸阀的CFD模型与实物的比例为1∶1，以闸阀左下端点为原点，建立直角坐标系，其几何模型如图1所示 （以闸板开度50%为例）。

本文采用阀门的进口速度及进口压强作为进口的边界条件，在绝对参考系下给定一均匀来流，方向垂直于进口面，速度大小分别为1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s，强度和水力直径由公式推出，进口表面压强为2 000 Pa；出口边界采用自由出流，由于全部流场只有一个出口，其出口表面压强设为0。由于在固壁处质点满足无滑移边界条件，设壁面速度为0。

本文根据闸阀特点，采用κ-ε二次方程湍流模型，并选用ANSYS软件的流体动力学分析类型进行分析。笔者还借助专用于分析二维和三维流体流动场的先进工具——ANSYS软件的FLOTRAN CFD工具，计算了闸阀的内部流场并分析其特性。

图1 平行式单闸板闸阀几何模型

2 计算结果及分析

当水为常温20℃时，其密度为998.2 kg/m3，黏度为 100.5×10-5Pa·s。此时在闸阀开度分别为10%、20%、25%、35%、45%、50%、60%、75%、100%，进口流速分别为1、2、3、4、5 m/s的情况下，模拟出各节点压力场分布图进行分析。

当闸阀开度一定 （以50%为例），进口流速分别为1、3、5 m/s时，闸阀内部节点压力场分布情况如图2～图4所示。

图2 进口流速为1 m/s，开度为50%的节点压力场分布图

图3 进口流速为3 m/s，开度为50%的节点压力场分布图

图4 进口流速为5 m/s，开度为50%的节点压力场分布图

从节点压力场分布图中可以清楚地看到，当闸阀闸板开度一定时 （以50%为例）：随着进口流速依次逐渐增大，内部流场的最低静压降低。

对于DN50的闸阀，当水温为20℃，进口压强为2 000 Pa，闸板开度为50%时，发生汽蚀的临界进口速度介于4～5 m/s之间。同理可得，当闸板开度为10%、20%、25%、35%时，发生汽蚀的临界速度都低于1 m/s；当闸板开度为45%时，发生汽蚀的临界速度介于3～4 m/s之间；当闸板开度大于60%时，进口流速小于5 m/s都不会发生汽蚀现象。具体结果如表1所示。

表1 汽蚀临界速度与闸板开度之间的关系

当进口流速一定 （以3 m/s为例），闸板开度分别为10%、25%、75%时，闸阀内部节点压力场分布情况如图5～图7所示。

图5 进口流速为3 m/s，开度为10%时节点压力场分布图

从节点压力场分布图图5～图7中可以清楚地看出，当进口流速一定时 （以3 m/s为例），随着闸阀闸板开度逐渐增大，内部流场的最低静压不断升高。

对于DN50的闸阀，当水温为20℃，进口压强为2 000 Pa，进口流速为3 m/s时，闸阀发生汽蚀的临界开度介于35%～45%之间。同理可得：当进口流速为1 m/s时，闸阀发生汽蚀的临界开度介于35%～45%之间；当进口流速为2 m/s时，闸阀发生汽蚀的临界开度介于35%～45%之间；当进口流速为4 m/s时，闸阀发生汽蚀的临界开度介于50%～60%之间；当进口流速为5 m/s时，闸阀发生汽蚀的临界开度介于50%～60%之间。具体结果如表2所示。

图6 进口流速为3 m/s，开度为25%的节点压力场分布图

图7 进口流速为3 m/s，开度为75%的节点压力场分布图

表2 汽蚀临界闸板开度与进口速度之间的关系

3 结语

流体机械的CFD研究方兴未艾，阀门的CFD研究则刚刚起步，并逐渐与工程设计相结合，朝着适用化的方向发展。数值模拟的方法将成为研究流体内部流场的强有力工具，是理论分析和试验观察研究不可替代的方法。国内流体机械内部流动的研究主要集中在水轮机、水泵、燃气轮机等，对阀门内部流场进行的研究还不多。本文以闸阀为研究对象，利用通用的CFD软件ANSYS，计算其内部流场，分析其内部流场的特性，得出以下结论。

（1）从闸阀发生汽蚀的进口速度来看，模拟计算结果与理论均表明：流体的进口速度越大越容易产生汽蚀，或者说随着进口速度的增大，闸阀发生汽蚀的开度增大。

（2）从闸阀发生汽蚀的阀门开度来看，计算结果与理论结果有差距。其主要原因是：①实际的闸阀闸板的位置随流体压力、闸板自重等因素而改变，与模拟计算时的位置有差别；②随着进口速度增大，计算结果显示闸阀发生汽蚀的开度增大。

（3）对比分析表明：利用现有的商用CFD软件ANSYS进行阀门内流场的分析基本可靠。

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The Numerical Simulation of Gate Valve Internal Flow Field Based on ANSYS

Zhou Xin Yuan Huixin Liu Yali

With the help of FLOTRAN CFD of the advanced analysis tool ANSYS software which dedicated to the analysis of two-and three-dimensional fluid flow field，the paper applies the finite volume method to calculate the internal flow field of the gate valve and analyses its features.Based on the pressure distribution，the authors further discuss the influence of the valve opening and fluid velocity on cavitations.

Numerical simulation； Finite volume method； Gate valve； ANSYS;Flow rate;CFD

TQ 051.21

*邹鑫，男，1988年生，硕士研究生。常州市，213016。

2011-03-07）