軸流式閥門動(dòng)態(tài)特性的二維數(shù)值模擬

軸流式閥門動(dòng)態(tài)特性的二維數(shù)值模擬

返回，又稱單向閥或反止閥，以驅(qū)動(dòng)或關(guān)閉介質(zhì)力。它的主要功能是防止介質(zhì)回流，緩沖區(qū)泵突然停止時(shí)產(chǎn)生的水擊波，并減少對(duì)管道系統(tǒng)的損害。目前，我國廣泛使用的是軸流式返回。當(dāng)輸入介質(zhì)壓力高于輸出介質(zhì)壓力和彈簧力的總和時(shí)，閥瓣打開。在打開過程中，閥瓣的壓力非常不平衡，并且容易振動(dòng)。當(dāng)輸入端部的介質(zhì)壓力小于輸出端部的介質(zhì)壓力和彈簧力時(shí)，使銷關(guān)閉。關(guān)閉所需的時(shí)間和完全關(guān)閉期間閥瓣的瞬時(shí)速度，直接關(guān)系到軍閥的穩(wěn)定性和使用壽命。由于動(dòng)網(wǎng)技術(shù)難以測(cè)量水流參數(shù)，靜態(tài)模擬無法描述瞬態(tài)下軍閥的動(dòng)態(tài)特征。在上述問題上，動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)用于動(dòng)態(tài)模擬軸流回波過程，以獲得閥瓣的張力和運(yùn)動(dòng)，并對(duì)財(cái)務(wù)管理和動(dòng)態(tài)模擬提供一定的基礎(chǔ)。1數(shù)值模型的構(gòu)建1.1模型2:右下閥座-入口孔口轉(zhuǎn)換電路軸流式止回閥網(wǎng)格模型如圖1所示.將軸流式止回閥簡(jiǎn)化為中心旋轉(zhuǎn)對(duì)稱幾何模型,采用的是三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.高壓水從左側(cè)流入,右側(cè)流出.由于fluent軟件計(jì)算需要連續(xù)流場(chǎng),所以此模型預(yù)留一個(gè)0.25mm縫隙(相當(dāng)于閥芯向右移動(dòng)0.5mm).閥座與入口水平方向成30°夾角,入口處腔體長10mm,入口直徑80mm,出口處腔體長94mm,出口直徑118mm,閥瓣的質(zhì)量為0.742kg.彈簧剛度k=30000N/m,關(guān)閉時(shí)彈簧壓縮量為0.004m.簡(jiǎn)化模型未畫出彈簧.1.2控制體的質(zhì)量守恒方程動(dòng)網(wǎng)格模型可以用來模擬由于邊界流域運(yùn)動(dòng)引起流域形狀隨時(shí)間變化的流動(dòng)情況.對(duì)于通量ue788,在任一控制體V內(nèi),其邊界是運(yùn)動(dòng)的,質(zhì)量守恒方程的通式為其中:ρ為液體的密度;為液體速度矢量;為動(dòng)網(wǎng)格的網(wǎng)格變形速率;Γ為擴(kuò)散系數(shù);Sφ為通量φ的源項(xiàng);為控制體V的邊界.式(1)中第一項(xiàng)可用一階向后差分形式表示為其中:n和n+1代表當(dāng)前和緊接著的下一時(shí)間步的數(shù)值.第n+1步的體積Vn+1由下式計(jì)算得出:1.3閥瓣網(wǎng)格的更新利用fluent軟件DEFINE_CG_MOTION宏定義閥瓣重心的運(yùn)動(dòng),根據(jù)顯式歐拉方程式由于閥瓣在運(yùn)動(dòng)過程中,閥門的計(jì)算區(qū)域發(fā)生變化,所以需要根據(jù)閥瓣的瞬時(shí)位置更新網(wǎng)格(生成動(dòng)網(wǎng)格).網(wǎng)格的更新方法有三種:彈簧光滑法(spring-basedsmoothing)、動(dòng)態(tài)分層法(dynamiclayering)和局部重劃法(localremeshing),選定彈簧光滑法和局部重畫法更新網(wǎng)格.這樣能提高網(wǎng)格的質(zhì)量,避免在計(jì)算過程中出現(xiàn)負(fù)體積,使迭代計(jì)算中斷或使計(jì)算結(jié)果發(fā)生偏差.1.4雷諾數(shù)湍流模型我們模擬的介質(zhì)為水,軸流式止回閥的流場(chǎng)屬于高雷諾數(shù)湍流,所以采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型.SMPLE方法和標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)法.由于開啟時(shí)間較短,設(shè)置步長為0.0001s,其余均按默認(rèn).2閥瓣在開啟和關(guān)閉過程中的受力和運(yùn)動(dòng)情況在自定義函數(shù)中采用Message輸出的方法可以得出閥瓣在某一時(shí)刻的速度、所受的液體合力、運(yùn)動(dòng)的位移和在此位移處的加速度,能直觀看出閥瓣在開啟和關(guān)閉過程中的受力和運(yùn)動(dòng)情況.2.1軸流式斷閥瓣的動(dòng)態(tài)特性由于止回閥的進(jìn)口流量容易確定,進(jìn)口速度也就容易計(jì)算,而出口壓力和速度未知,所以使用速度進(jìn)口邊界條件和自由流出口邊界條件,某中進(jìn)口速度為3m/s.固體壁面采用無滑移條件,近壁區(qū)域采用壁面函數(shù)處理,通過SIM-PLEC算法實(shí)現(xiàn)速度和壓力之間的耦合.軸流式止回閥開啟過程中速度分布見圖2.由圖2可知軸流式止回閥的開啟過程是一個(gè)反復(fù)震蕩最終達(dá)到平衡位置的過程.初始時(shí)刻閥瓣受到的液動(dòng)力大于受到的彈簧力,閥門開啟.隨著閥瓣的運(yùn)動(dòng),閥瓣受到的液動(dòng)力逐漸減小,而受到的彈簧作用力逐漸增大,某一時(shí)刻兩力達(dá)到平衡,由于閥瓣還具有速度,將繼續(xù)做減速運(yùn)動(dòng)直到閥瓣運(yùn)動(dòng)到最大位移位置(圖2(b)),然后閥瓣做反方向加速運(yùn)動(dòng),到達(dá)最小位移位置(圖2(c)),接著閥瓣又在合力作用下加速開啟,如此反復(fù)幾次,閥瓣最終達(dá)到平衡位置(圖2(d)),靜止在流場(chǎng)中.在瞬態(tài)的計(jì)算過程中閥瓣所受的液動(dòng)力是不斷變化的,這是因?yàn)殡S著閥門開度的增大,閥瓣的背流面產(chǎn)生了明顯的回流,使閥瓣前后的壓差發(fā)生變化.閥門開啟過程中閥瓣所受液動(dòng)力變化情況見圖3.由圖3可知,閥門剛開啟時(shí),作用在閥瓣上的液動(dòng)力正反方向跳躍交替,并且數(shù)值較大.當(dāng)閥門開啟到一定程度時(shí),閥瓣所受的液動(dòng)力趨于穩(wěn)定,最終和閥瓣所受的彈簧力形成一對(duì)平衡力,使閥瓣處于動(dòng)態(tài)的平衡,因此閥門運(yùn)行平穩(wěn).2.2閥門關(guān)閉過程動(dòng)態(tài)特性為了判斷閥門本身是否可靠關(guān)閉,模擬了軸流式止回閥非穩(wěn)態(tài)關(guān)閉過程.因?yàn)槟MFluent是從進(jìn)口開始計(jì)算的,為使模擬結(jié)果和實(shí)際相符,必須在程序中加入“if(time<0.1)v_prev=0.0”的限制條件,否則會(huì)導(dǎo)致流體還沒流過整個(gè)流道,動(dòng)態(tài)計(jì)算就結(jié)束了.閥門關(guān)閉過程采用壓力進(jìn)口和壓力出口的邊界條件:進(jìn)口壓力0.2MPa,出口壓力為0.閥門關(guān)閉過程閥瓣運(yùn)動(dòng)速度曲線見圖4.從圖4可以看出閥門在關(guān)閉過程中,閥瓣運(yùn)動(dòng)速度先緩慢增大到最大速度,之后開始急速下降直到閥門關(guān)閉.這是由于關(guān)閉初期彈簧力大于液動(dòng)力,閥瓣加速關(guān)閉.隨著閥門的關(guān)閉,彈簧力減小,液動(dòng)力增大,閥瓣減速關(guān)閉.由圖4還可以看出,閥瓣關(guān)閉時(shí)間為0.01s,用時(shí)非常短,這體現(xiàn)了軸流式止回閥快關(guān)的特性.完全關(guān)閉時(shí)閥瓣的速度很小,為0.437m/s,這樣閥瓣關(guān)閉時(shí)對(duì)閥座無沖擊,可以減小噪音,延長閥門的使用壽命.2.3流式斷裂器簡(jiǎn)介彈簧剛度系數(shù)與閥門啟閉時(shí)間及閥門關(guān)閉時(shí)閥瓣瞬時(shí)速度的關(guān)系見表1.表1清晰地表明:隨著彈簧剛度系數(shù)的增大,閥門開啟和關(guān)閉所用的時(shí)間逐漸減小,軸流式止回閥快開和快關(guān)的特性更加明顯.軸流式止回閥的快關(guān)特性可以將通過閥門反向流體的流速降到最低,從而可預(yù)防水錘現(xiàn)象的發(fā)生,減小對(duì)上游管道系統(tǒng)的危害.穩(wěn)定時(shí)閥門進(jìn)出口壓力差與剛度系數(shù)關(guān)系見圖5.由圖5可知,隨著彈簧剛度系數(shù)的增大,閥門穩(wěn)定時(shí)出口和進(jìn)口的壓力差呈線性遞增的趨勢(shì).所以彈簧剛度系數(shù)越大,止回閥穩(wěn)態(tài)壓力損失越大,不符合節(jié)能的要求.雖然增大彈簧剛度系數(shù)有利于減小水錘的危害,但從節(jié)能的角度不能過分增大彈簧剛度系數(shù).3閥瓣運(yùn)動(dòng)(1)采用Fluent動(dòng)網(wǎng)格及UDF技術(shù)模擬軸流式止回閥的啟閉過程,相對(duì)于靜態(tài)仿真,動(dòng)態(tài)仿真能更準(zhǔn)確地模擬出閥門啟閉過程中閥瓣的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和瞬時(shí)受力情況,更清晰地看出閥內(nèi)流場(chǎng)的變化情況.(2)對(duì)比不同彈簧剛度系數(shù)對(duì)閥門開啟和關(guān)閉所用時(shí)間的影響,發(fā)現(xiàn)彈簧剛度系數(shù)越大,閥門啟閉所用的時(shí)間越少,管道水擊壓力越小,但壓頭損失越大.(3)動(dòng)網(wǎng)格以及UDF技術(shù)較好地模擬了止回閥啟閉過程的動(dòng)態(tài)特性,揭示了止回閥內(nèi)流體的流動(dòng)狀況,