基于ANSYS的閘閥阻力系數(shù)研究
應(yīng)用有限體積法，借助專用于分析二、三維流體流動場的先進(jìn)工具———ANSYS軟件的FLOT-RANCFD工具，分析計算了閘閥的內(nèi)部流場特性。依據(jù)流場的壓力分布計算了不同開度、進(jìn)口速度和內(nèi)徑下閘閥的阻力系數(shù)。指出閥門的阻力系數(shù)不僅與開度、進(jìn)口速度有關(guān)，還與管徑相關(guān);不同管徑的閥門，在同一開度、進(jìn)口速度下的阻力系數(shù)不同。
無論是在流體機(jī)械還是在流體傳動與控制系統(tǒng)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(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，以滿足工作系統(tǒng)的要求。該過程中要求閥門控制可靠、阻力小、損失少。21世紀(jì)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(shè)計中基本上還是依據(jù)常規(guī)設(shè)計方法和經(jīng)驗(yàn)，只考慮結(jié)構(gòu)型態(tài)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(xué)(CFD)和計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬手段廣泛應(yīng)用于流體內(nèi)部復(fù)雜流動的研究上。筆者對閘閥的阻力特性進(jìn)行了研究，通過ANSYS軟件的FLOTRANCFD工具模擬了閘閥內(nèi)部的流場。
1、模型與數(shù)值方法
筆者主要研究的是閘閥內(nèi)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(shí)物呈1∶1，以閘閥左下端點(diǎn)為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)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(jìn)口速度和進(jìn)口壓強(qiáng)作為進(jìn)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(jìn)口面，速度大小分別為1、2、3、4、5m/s，強(qiáng)度和水力直徑由公式推導(dǎo)出，進(jìn)口表面壓強(qiáng)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(qiáng)設(shè)為0;由于在固壁處質(zhì)點(diǎn)滿足無滑移邊界條件，設(shè)壁面速度為0。
筆者根據(jù)閘閥的特點(diǎn)，采用k-ε二方程湍流模型，選用ANSYS軟件的流體動力學(xué)分析類型進(jìn)行分析，借助專用于分析二、三維流體流動場的先進(jìn)工具———ANSYS軟件的FLOTRANCFD工具分析計算了閘閥的內(nèi)部流場特性。
2、計算結(jié)果及閘閥阻力系數(shù)的計算
當(dāng)水溫為20℃時，其密度為998.2kg/m3，粘度為100.5μPa·s。當(dāng)閘閥內(nèi)徑為DN50mm，開度分別為10%、20%、25%、35%、45%、50%、60%、75%、100%，進(jìn)口速度分別為1、2、3、4、5m/s時，模擬計算出閘閥內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)壓力場分布(圖2)。
圖2 閘閥內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)壓力場分布
根據(jù)流體力學(xué)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(shù)；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(jìn)口壓強(qiáng)差，進(jìn)而算出閘閥的阻力系數(shù)。
當(dāng)進(jìn)口表面壓強(qiáng)為2kPa，進(jìn)口速度一定時，作閘閥阻力系數(shù)隨開度的變化曲線(圖3)。從圖3可以看出，當(dāng)進(jìn)口速度一定時，隨著閘閥開度的不斷增大，其阻力系數(shù)減少。當(dāng)閘閥開度一定時，隨著進(jìn)口速度的不斷增大，其阻力系數(shù)減少。
圖3 進(jìn)口速度一定時閘閥阻力系數(shù)隨開度的變化
對不同管徑(DN25、DN100、DN200)的閘閥分別進(jìn)行了模擬，并與DN50的閘閥模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析。當(dāng)進(jìn)口速度為3m/s，進(jìn)口表面壓強(qiáng)為2kPa，閘閥內(nèi)徑一定時，作閘閥阻力系數(shù)隨開度的變化曲線(圖4)。從圖4可以看出，當(dāng)閘閥內(nèi)徑一定時，隨著閘閥開度的增加，閘閥阻力系數(shù)減少。當(dāng)閘閥開度一定時，隨著閘閥內(nèi)徑的增大，閘閥阻力系數(shù)也是增大。
圖4 內(nèi)徑一定時閘閥阻力系數(shù)隨開度的變化曲線
3、結(jié)束語
應(yīng)用有限元體積法和ANSYS軟件對閘閥的內(nèi)部流場特性進(jìn)行了分析，由分析可知，閘閥的阻力系數(shù)不僅與開度、進(jìn)口速度有關(guān)，還與閘閥管徑有關(guān);不同管徑的閘閥，在同一開度、進(jìn)口速度下的阻力系數(shù)不同。同時，利用ANSYS軟件進(jìn)行閥門內(nèi)流場的分析方法基本可靠。
