基于ANSYS的閘閥內部流場模擬

鄒 鑫 袁惠新 劉亞莉

（常州大學機械工程學院） （鄭州輕工業學院材料與化工學院）

基于ANSYS的閘閥內部流場模擬

鄒 鑫*袁惠新 劉亞莉

（常州大學機械工程學院） （鄭州輕工業學院材料與化工學院）

借助于分析二維和三維流體流動場的先進工具——ANSYS軟件的FLOTRAN CFD工具， 運用有限體積法，計算了閘閥的內部流場并分析其特性。根據流場的壓力分布進一步討論了閥門開度、流體流速對汽蝕的影響。

數值模擬 有限體積法 閘閥 ANSYS 流速 計算流體動力學

0 前言

無論是在流體機械中， 還是在流體傳動與控制系統中， 人們都會用到各種各樣的閥門。 這些閥門裝置的主要作用是對流體的流量、壓力和流動方向進行調節和控制， 以滿足工作系統的要求。對閥門的要求：一是控制可靠；二是阻力小、損失少。21世紀前，對各類閥門， 尤其是對閥門流道流動特性的研究尚未引起重視， 在設計中基本上還是依據常規設計方法和經驗， 只注重結構型態而不注重考慮流阻損失， 從而引起較大的能耗。近年來，隨著計算流體動力學 （CFD）和計算機技術的飛速發展，數值模擬手段已廣泛應用于內部的復雜流動研究。本文通過ANSYS軟件的FLOTRAN CFD工具模擬了閘閥內部的流場，并對閘閥的阻力特性進行了研究。

1 模型與數值方法

本文主要研究的是閘閥內部流場。筆者將閘閥的原型簡化，使得閘閥通道是圓形通道，閘板是平板閘板，故在此只需建立帶有閘板的閘閥通道模型。閘閥的CFD模型與實物的比例為1∶1，以閘閥左下端點為原點，建立直角坐標系，其幾何模型如圖1所示 （以閘板開度50%為例）。

本文采用閥門的進口速度及進口壓強作為進口的邊界條件，在絕對參考系下給定一均勻來流，方向垂直于進口面，速度大小分別為1 m/s、2 m/s、3 m/s、4 m/s、5 m/s，強度和水力直徑由公式推出，進口表面壓強為2 000 Pa；出口邊界采用自由出流，由于全部流場只有一個出口，其出口表面壓強設為0。由于在固壁處質點滿足無滑移邊界條件，設壁面速度為0。

本文根據閘閥特點，采用κ-ε二次方程湍流模型，并選用ANSYS軟件的流體動力學分析類型進行分析。筆者還借助專用于分析二維和三維流體流動場的先進工具——ANSYS軟件的FLOTRAN CFD工具，計算了閘閥的內部流場并分析其特性。

圖1 平行式單閘板閘閥幾何模型

2 計算結果及分析

當水為常溫20℃時，其密度為998.2 kg/m3，黏度為 100.5×10-5Pa·s。此時在閘閥開度分別為10%、20%、25%、35%、45%、50%、60%、75%、100%，進口流速分別為1、2、3、4、5 m/s的情況下，模擬出各節點壓力場分布圖進行分析。

當閘閥開度一定 （以50%為例），進口流速分別為1、3、5 m/s時，閘閥內部節點壓力場分布情況如圖2～圖4所示。

圖2 進口流速為1 m/s，開度為50%的節點壓力場分布圖

圖3 進口流速為3 m/s，開度為50%的節點壓力場分布圖

圖4 進口流速為5 m/s，開度為50%的節點壓力場分布圖

從節點壓力場分布圖中可以清楚地看到，當閘閥閘板開度一定時 （以50%為例）：隨著進口流速依次逐漸增大，內部流場的最低靜壓降低。

對于DN50的閘閥，當水溫為20℃，進口壓強為2 000 Pa，閘板開度為50%時，發生汽蝕的臨界進口速度介于4～5 m/s之間。同理可得，當閘板開度為10%、20%、25%、35%時，發生汽蝕的臨界速度都低于1 m/s；當閘板開度為45%時，發生汽蝕的臨界速度介于3～4 m/s之間；當閘板開度大于60%時，進口流速小于5 m/s都不會發生汽蝕現象。具體結果如表1所示。

表1 汽蝕臨界速度與閘板開度之間的關系

當進口流速一定 （以3 m/s為例），閘板開度分別為10%、25%、75%時，閘閥內部節點壓力場分布情況如圖5～圖7所示。

圖5 進口流速為3 m/s，開度為10%時節點壓力場分布圖

從節點壓力場分布圖圖5～圖7中可以清楚地看出，當進口流速一定時 （以3 m/s為例），隨著閘閥閘板開度逐漸增大，內部流場的最低靜壓不斷升高。

對于DN50的閘閥，當水溫為20℃，進口壓強為2 000 Pa，進口流速為3 m/s時，閘閥發生汽蝕的臨界開度介于35%～45%之間。同理可得：當進口流速為1 m/s時，閘閥發生汽蝕的臨界開度介于35%～45%之間；當進口流速為2 m/s時，閘閥發生汽蝕的臨界開度介于35%～45%之間；當進口流速為4 m/s時，閘閥發生汽蝕的臨界開度介于50%～60%之間；當進口流速為5 m/s時，閘閥發生汽蝕的臨界開度介于50%～60%之間。具體結果如表2所示。

圖6 進口流速為3 m/s，開度為25%的節點壓力場分布圖

圖7 進口流速為3 m/s，開度為75%的節點壓力場分布圖

表2 汽蝕臨界閘板開度與進口速度之間的關系

3 結語

流體機械的CFD研究方興未艾，閥門的CFD研究則剛剛起步，并逐漸與工程設計相結合，朝著適用化的方向發展。數值模擬的方法將成為研究流體內部流場的強有力工具，是理論分析和試驗觀察研究不可替代的方法。國內流體機械內部流動的研究主要集中在水輪機、水泵、燃氣輪機等，對閥門內部流場進行的研究還不多。本文以閘閥為研究對象，利用通用的CFD軟件ANSYS，計算其內部流場，分析其內部流場的特性，得出以下結論。

（1）從閘閥發生汽蝕的進口速度來看，模擬計算結果與理論均表明：流體的進口速度越大越容易產生汽蝕，或者說隨著進口速度的增大，閘閥發生汽蝕的開度增大。

（2）從閘閥發生汽蝕的閥門開度來看，計算結果與理論結果有差距。其主要原因是：①實際的閘閥閘板的位置隨流體壓力、閘板自重等因素而改變，與模擬計算時的位置有差別；②隨著進口速度增大，計算結果顯示閘閥發生汽蝕的開度增大。

（3）對比分析表明：利用現有的商用CFD軟件ANSYS進行閥門內流場的分析基本可靠。

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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

*鄒鑫，男，1988年生，碩士研究生。常州市，213016。

2011-03-07）