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        進口調節閥 進口減壓閥 進口疏水閥 進口電磁閥 進口截止閥 進口止回閥 進口球閥 進口閘閥 進口蝶閥 進口針型閥 進口角座閥 進口水泵
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        • 基于CFD的多級調節閥流量特性分析
          發布日期: 2018-12-12

          一、引言

          某超臨界多級調節閥安裝在電廠的儲水罐管路系統中。此調節閥工作環境惡劣,需要在高溫高壓的水路環境中工作,對多級調節閥流量特性的分析和研究,對于整個管路系統的安全與穩定具有重要意義。

          CFD是利用流體域上離散點的數值來表示時間和空間的連續物理量,以一定的標準利用離散點數值和連續物理量之間的關系建立代數方程組,最終獲得流體域上連續物理量的近似解。該方法可應用于計算域幾何和邊界條件復雜且難以進行解析解的場合。

          調節閥的流量特性通常以相對流量與相對開度的關系來表示,調節閥實質上是一個帶有多個節流孔板的流體系統局部阻力元件,本文通過計算多級調節閥不同開口度下的流量系數并繪制流量系數曲線,與實際測算的流量系數曲線作對比,以此分析多級調節閥的流量特性。

          二、數值模擬與仿真

          (一)流體運動基本控制方程與湍流模型

          在連續流動介質動力學基礎上,一般的CFD軟件都是通過求解不同維數的動量守恒方程來得到未知量的。動量守恒方程即NS方程是由納維(Navier)和斯托克斯(Stokes)19世紀中期建立并提出的描述流體動量守恒的偏微分方程。其與質量守恒方程和能量守恒方程聯立一起構成了描述流體運動規律的封閉方程組。

          1.質量守恒方程

              1

          其中ρ(x,y,z,t)代表液體的密度,它是位置和時間的函數,本例中流場流動為三維定常流動, 代表速度矢量。

          2.動量守恒方程

          其中p代表微體積上的壓力,τ代表粘性應力,上式中分別有三個坐標分量上的粘性應力,F代表微元上的體積力, 代表速度矢量,u,v,w代表三個坐標方向的速度分量。

          本例中多級調節閥結構復雜,有大量小孔和縫隙結構,采用全湍流模型計算,選取kε模型。此模型適用范圍廣,能解決一般工程中的單相流動問題,并且可以達到比較高的精度。kε主要是基于湍流動能和擴散率。關于湍流動能k的方程和關于擴散率ε的方程如下:

              5

           

           

          基中σkσε是湍流方程的prandtl數,σk=1, σε=1.3,C1=1.92,μt=ρC2k2/ε,C2=0.09。

          (二)調節閥建模與邊界條件設定

          本例中的調節閥為多級調壓調速閥,主要作用是使高溫高壓的水蒸氣與低溫冷卻水混合,并且使液流靜壓強通過多級減壓減小到合理的范圍內,調節閥結構中還有多個勻流裝置,它的功能是使流體盡量均勻通過流場。多級調節閥流場模型建立過程如圖1所示,先建立閥芯模型,然后建立閥體輪廓模型,通過布爾運算得到流體域的模型。本例采用半模型計算。

          1 流體域布爾運算過程圖

          根據JB/T52961991《通用閥門、流量系數和流阻系數的試驗方法》其中的相關要求和試驗規定,如果要計算流場的流量系數和流阻系數,必須嚴格控制在一定條件中施行,本例計算從5%100%11個開口度下的流量系數,試驗的模擬條件如表1所示。

          1 參數對應值列表

          (三)求解控制與結果輸出

          在計算過程中,壓力和速度參數采用一階迎風差分格式求解,動量方程和湍流方程中的求解項采用二階高精度差分格式求解,結合調節閥長度尺度和速度尺度,迭代步數設為300步,殘差類型選擇基于計算域內的最大殘差,具體的值為00001。CFX提供了非常靈活的輸出控制方式,可以通過CEL語言計算得出指定位置的積分量。

          三、流量特性分析與驗證

          (一)部分開口度流場速度和壓力的分布情況

          調節閥在開口度為50%時的仿真結果如圖2和圖3所示。圖例中壓強數值均為相對壓強,本調節閥為二級調節閥,液流進入閥腔后,在經過第一級減壓時,過流斷面急劇減小,壓力減小,速度增加;同樣,第二級減壓時,壓強減小到接近或等于大氣壓強,速度在小孔過流斷面內增加,上述現象符合流體連續性和伯努利方程的特性。編輯CEL流量積分函數求入口和出口的流量,計算平均值。剩余開口度計算方法相同。

          2 50%開度時流體域壓力變化圖

          3 50%開度時流體域速度變化圖

          (二)流量系數的計算

          調節閥的流量特性一般認為有如下四種:快開、直線、拋物線和等百分比流量特性,如圖4所示。流量與開口度呈現出不同的關系。直線流量特性表現為開口度和流量的變化呈現線性關系。

          1-快開流量特性 2-直線流量特性

          3-拋物線流量特性 4-等百分比流量特性

          4 四種調節閥流量特性

          根據JB/T52961991《通用閥門、流量系數和流阻系數的試驗方法》的相關規定和試驗方法的要求,調節閥流場的流量系數計算方法如下:

              2.22

          Q———平均流量(t/h),出入口流量取平均值

          ρ———流體密度(kg/m3),即水的密度998.2kg/m3

          ρ 0———流體標準密度1000kg/m3

          ΔP———壓差(KPa),0.035MPa=35KPa

          計算所有開口度下的流量,整理成數據表,如表2所示,并在此基礎上擬合數據,如圖5所示。

          2 所有開口度下的流量系數列表

          5 流量系數變化圖

          根據工廠實際測算的流量和速度,實測數據如表3所示,理論流量系數曲線和實際測算的流量系數曲線繪制在同一圖例中,如圖6所示。

          3 所有開口度下的流量系數列表

          6 流量系數對比圖

          6和表3明,該多級調節閥流量特性近似屬于直線流量特性,且理論計算的流量系數曲線和實測的流量系數曲線吻合度良好,證明了數值計算的正確性,因此,上述分析流量特性的方法可行。

          四、結論與展望

          1)基于CFD方法計算了多級調節閥流量系數曲線,分析了調節閥的流量特性,并與實測的數據進行了對比,驗證了方法的可行性,可以在后續工程實踐中有效地分析調節閥的流量特性。

          2)調節閥流量特性和閥體平均流通面積有密切聯系,本文分析流量特性的方法對調節閥的結構設計和結構優化有一定的參考作用。

           

           

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