某船用通海阀流道优化仿真分析研究*

董自虎 李 超

(海军驻武汉四三八厂军事代表室 武汉 430064)

某船用通海阀流道优化仿真分析研究*

董自虎 李 超

(海军驻武汉四三八厂军事代表室 武汉 430064)

论文介绍了阀门流阻系数计算方法及其测量方法,给出了阀门内部流场的数值模拟方法、计算区域、边界条件。采用计算流体力学通用软件 Fluent 对某船用通海阀内流场分布进行了仿真计算,根据其可视化结果分析了影响通海阀性能和产生噪声的原因。对通海阀的流道结构进行改进,通过增加阀瓣开启行程、对局部结构进行倒角等措施,减小了管道壁面与流体的接触面积,管道内流体受壁面粘性的影响降低,降低湍流度,避免了流场局部出现驻点,大大减小了速度梯度和压力梯度,改善整个流场,达到了降噪减阻的效果。分别对不同改进型式建立了模型,并进行了对比分析,验证了改进措施的合理与正确,为阀门的降噪减阻提供了重要参考依据和方法。

船用阀门; 流道; 优化; 仿真

(Navy Representative in NO.438 Factory, Wuhan 430064)

Class Number TP391

1 引言

阀门的流道结构是流阻系数变化的主要因素,合理与否直接决定了流阻系数是否满足设计要求值[1～2]。另外,流道结构不合理是振动及噪声产生的原因[3]。本文对某船用通海阀(规格DN15)内流道进行分析后利用计算流体动力学技术进行仿真对比,分析降低流阻系数的有效措施。

2 阀门流阻系数及测量方法

阀门内部结构相对于管路系统的其他部分远为复杂,对管路内部流场有较大的影响,阀门流阻系数是反映阀门引起水头损失的主要技术参数。

1) 阀门流阻系数

流阻系数是反映阀门对流场影响的重要指标,体现了阀门对管路系统造成的压头损失。国家行业标准《通用阀门流量系数和流阻系数的试验方法》(JB/T 5296-91)对各型阀门的流阻系数K定义如下

(1)

其中,ΔP定义为水流经阀门时的压力降,即：

ΔP=P入口-P出口

(2)

ρ为流体密度,V为流体速度。

2) 阀门流阻系数的测量

试验系统：阀门流阻系数测量的试验图 1所示：

图1 阀门流阻系数测量试验系统

图1测量系统中各部分的名称与功能如下：1为可控水源,为系统提供来流；2为温度计,以测量试验流体的温度并由此确定流体的密度；3为节流阀,调节来流的速度；4为流量计,用作测量管路中的流体流量；5为取压孔；6为压差测量装置,测量阀门之前5倍直径位置与阀门之后10倍直径位置的压力差(即5所示的位置)；7为待测阀门；8为调节阀门。

3) 试验程序

阀门的流阻系数测量试验需遵循以下程序与注意事项：

对无特殊说明的产品,流阻系数都在阀门处于全开位置测量；

试验阀安装在图示系统中,试验水温为5℃～40℃；

在水流没有脉动,达到稳流状态后记录所有读数；

测定并记录次数不得少于五种流量下的压力损失(除非产品另有说明)这些流量应包括最小流量至最大流量和介于它们之问的均分流量；

测量流量应保证产生紊流,但最小雷诺数Re为4*104；

本文通过有限体积法在计算域内将上述控制方程建立离散方程组并求解,其中雷诺应力项通过雷诺应力模型模拟。

3 计算区域与边界条件

1) 计算域

根据标准中试验测量规程的方法,阀门的计算域如下：计算域包括管道与阀门流道两部分,其中阀门入口前管道的长度取阀门入口直径的5倍；阀门出口后的管道长度取阀门出口直径的10倍。计算域的示意图见图 2 。

图2 阀门内流场数值模拟计算域示意图

2) 边界条件

对阀门的数值模拟中,边界条件设置如下：入口采用压力入口边条,给定入口处的压力值,出口采用压力出口边条,给定出口位置的静压力,并在计算过程中根据结果进行相应的调整,使其流速接近实际的作业工况(3.5m/s)；阀体与阀芯的壁面采用固壁边界条件,同时在数值计算中采用壁面函数的近壁处理方法。

3) 其它

数值模拟中流道内流体采用15℃的海水,密度为1025.9kg/m3,物理粘度为1.1883×10-6m2/s。

4 流阻系数的计算

对于出入口直径相同的阀门,数值计算结果中的流阻系数计算均采用式(1)。对于出入口直径不相同的各型阀门,则利用Bernoulli公式计算压头损失,扣除加长管道沿程损失后再计算阀门流阻系数。

各参数的取值方法:

对于出入口直径相同的阀门类型,式(1)中的压差计算采用下式：

ΔP=ΔP1-ΔP2

(3)

式中△P1为管道出入口的压力差,在边界条件指定时已确定；△P2为阀门入口前与出口后的管道所造成的压力损失,由以下方法获得：

取入口段管道中流场相对均匀的长度为l的管段为对象(如从管道入口长度4d的一段),计算该段所造成的沿程损失△P2,并由下式计算加长管道L的沿程损失：

(4)

对于出入口直径相同的阀门类型,式(1)中的速度取为入口位置的平均速度(等于出口位置的平均速度)。

对于出入口直径不同的阀门类型,式(1)中的压差计算采用下式：

ΔP=ΔPt1-ΔP2

(5)

式中△Pt1为管道出入口的总压差(总压定义为Pt=P+0.5ρv2),在边界条件指定时已确定；△P2为阀门入口前与出口后的管道所造成的压力损失,由以下方法获得：

分别取入口段及出口段管道中流场相对均匀的长度l入、l出的管段为对象,计算各段所造成的沿程损失△P入、△P出,并由下式计算管道的沿程损失：

(6)

对于出入口直径不相同的阀门类型,式(1)中的速度分别取入口与出口位置的平均速度计算相应流阻系数。

5 舷侧阀内流场数值模拟

首先对原型阀(表示为 SCHEME1)的阀门流道进行了数值模拟,并进行了阀门型式的改型,共进行了两次改型。因此对该型阀门共进行了三种型式阀门内流场的数值模拟,分别以 SCHEME1、SCHEME2、SCHEME3 表示。不同型式阀门的主要区别为：SCHEME1 型式的阀门阀瓣结构为圆柱,开启行程为 10mm；SCHEME2型式的阀门阀瓣结构为圆柱,开启行程为 12mm；SCHEME3 型式为在 SCHEME2 的基础上将阀瓣倒角,倒角规格为 45°*3mm。

1) 数值模型

阀门的计算模型如图 3 所示,其中流道模型参考标准《通用阀门流量系数和流阻系数的试验方法》分别在阀门入口前增加了 5倍入口直径的入流段管道[4～5],在阀门出口后增加了 10 倍直径的出流段管道：

图3 船用通海阀计算模型

边界条件设置如下：

· SCHEME1：

入口：压力入口边界,给定该位置压力值P=2.0927*104Pa；

出口：压力出口边界,给定该位置压力值P=0Pa；

· SCHEME2：

入口：压力入口边界,给定该位置压力值P=1.9886*104Pa；

出口：压力出口边界,给定该位置压力值P=0Pa；

· SCHEME3：

入口：压力入口边界,给定该位置压力值P=1.6629*104Pa；

出口：压力出口边界,给定该位置压力值P=0Pa。

2) 数值计算结果及优化分析

图4 CHEME1流道对称面速度分布云图(m/s)

图5 CHEME1流道对称面压力分布云图/Pa

图6 CHEME1流道对称面速度矢量图

压降是一种能量损失,它是由液体流动时克服内、外摩擦力和克服湍流时流体质点间相互碰撞并交换动量引起的。若想降低压降,就要尽可能的降低管道内流体的内外摩擦力和湍流。CHEME1的内部流场细节见图 4流道对称面速度分布云图、图 5流道对称面压力分布云图、图 6流道对称面速度矢量图。

CHEME1的流动参数及流阻系数的数值计算结果见表1。

表1 SCHEME1流阻系数计算表

在CHEME1的压力云图中可以看到,低压力点在A处,再参考CHEME1中的速度云图及速度矢量图,可以看到在该点处存在明显的湍流。基于此,可以考虑通过降低整个管道内流场的湍流度,来降低阀的内部压降,进一步降低流阻系数。

图7 CHEME2流道对称面速度分布云图(m/s)

湍流的成因主要有两个方面,一是粘性,二是压力和速度梯度[6]。首先从粘性角度考虑,如果将阀件的开启行程增大,可以认为是减小了管道壁面与流体的接触面积,管道内流体受壁面粘性的影响降低,有利于改善整个流场,降低湍流度。基于此,算例2增大开启行程,将算例1 的10mm调整为12mm,

同样进行数值模拟计算,得到速度分布云图、压力分布云图、速度矢量图,分别如图7、图8、图9。

图8 CHEME2流道对称面压力分布云图/Pa

图9 CHEME2流道对称面速度矢量图

CHEME2的流动参数及流阻系数的数值计算结果见表2。

表2 SCHEME2流阻系数计算表

图10 CHEME3流道对称面速度分布云图(m/s)

通过CHEME1与CHEME2计算结果的对比,可以看到CHEME2的流场相比CHEME1 流场的湍流度有了将为明显的降低,整个流场得到了改善。再对比计算结果数据表,可以发现,CHEME2的阀门压降要小于CHEME1,其流阻系数也得到了较为明显的减小。通过进一步分析CHEME2的速度云图与速度矢量图,发现在B处仍然有较大的湍流,如果能进一步改善该处流场,流阻系数将得到进一步的降低。

这里主要考虑通过降低压力和速度梯度的途径来改善流场,降低湍流度[7～9]。通过CHEME2的速度矢量分布图可以看到,在管道壁面的C点处存在一个驻点,而这个驻点的存在导致该区域范围内的流体速度梯度与压力梯度显著增加,可以认为这是导致B处较大湍流的主要原因。如果将C点附近区域进行倒圆角处理,相当于避免了流场在C点附近处出现驻点,大大减小了附近范围内的速度梯度和压力梯度,将有益于该区域范围的流场改善,降低湍流度。基于这种考虑,在CHEME2 的基础上将C点附近倒圆角处理,将此种情况定义为CHEME3 ,同样进行数值计算,所得计算结果见图 10～图 12。

图11 CHEME3流道对称面压力分布云图/Pa

图12 CHEME3流道对称面速度矢量图

CHEME2的流动参数及流阻系数的数值计算结果见表3。

表3 SCHEME3流阻系数计算表

备注：流阻系数计算表中流阻系数 1：以入口流速为特征速度计算所得的流阻系数；流阻系数 2：以出口流速为特征速度计算所得的流阻系数(若入口与出口直径相同,二者理论上相等,但由于数值截断误差两个结果会略有差别)。

通过对比CHEME2与CHEME3的压力分布云图、速度分布云图和速度矢量图,可以发现CHEME3的流场得到了进一步的改善,湍流度进一步减小。而表2和表3的数据对比也表明,CHEME3的压降更小,流阻系数相比于CHEME2进一步降低。

CHEME1、CHEME2、CHEME3的流场流线图如图 13,可以看出流场依次得到了改善,而表1～表3的数据对比也说明流阻系数得到了明显的降低。由此得出可以看出,CHEME3的流道设计为最优。

6 结语

通过对DN15舷侧阀阀门流道内流场数值模拟,该型阀门原型流阻系数为 3.03,若将阀瓣行程增加为 12mm,则流阻系数为 2.85；若在增加行程的基础上对阀门倒角(规格 3mm*45°),则流阻系数降低至 2.21,流阻系数得到明显的降低。表明通过调节阀门的开启行程、对阀瓣进行适当倒角等措施可以有效降低阀门的流阻系数,为同类型阀门的减阻降噪提供了重要参考和方法。

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Marine Valve Flow Optimization Simulation Analysis and Research

DONG Zihu LI Chao

Paper introduces the valve flow resistance coefficient calculation method and the method of measurement, and gives a numerical simulation of valve interior flow field, the calculation area and boundary conditions. Using computational fluid dynamics of a marine general software Fluent in Kingston is used to simulate distribution of the flow field, according to the visual results of the visual analysis of the reason of impact valve performance and the noise is analyzed. Flow channel of valve structure is improved, by increasing the stroke of disc opens and chamfering of local structure, reduced the contact area of the pipe wall and fluid is veduced, the influence of viscosity of the pipe fluid from wall is reduced, reduce turbulence, the local appear stagnation point flow field is avoided, greatly reduced the velocity gradient and pressure gradient are reduced greatly, the whole flow field is imporved, the effect of noise reduction drag reduction is achieved. The different improved patterns are modeled respectively, and the comparison and analysis are carried on, it shows the improvement measures are reasonable and correct, for drag reduction and noise reduction important reference basis and methods are provided.

marine valve, flow, optimization, simulation

2016年6月11日,

2016年7月20日

董自虎,男,硕士研究生,工程师,研究方向:舰船质量监造、舰船系统减振降噪。李超,男,硕士研究生,助理工程师,研究方向:舰船质量监造、舰船系统减振降噪。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.022