迷宮流道擴(kuò)張系數(shù)對介質(zhì)流動特性的影響研究

王若愚，張釗，郝嬌山，李武，唐永亮

(重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400700)

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迷宮流道擴(kuò)張系數(shù)對介質(zhì)流動特性的影響研究

王若愚，張釗，郝嬌山，李武，唐永亮

(重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司，重慶 400700)

摘要：通過對高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥的理論研究，結(jié)合流體力學(xué)相關(guān)理論，對迷宮流道的結(jié)構(gòu)特征和設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行了闡述，并提出了迷宮流道擴(kuò)張系數(shù)對閥門性能的影響。建立單個(gè)迷宮流道的三維模型，并采用CFD流體分析軟件對不同擴(kuò)展系數(shù)下介質(zhì)在迷宮流道內(nèi)部流動情況進(jìn)行模擬計(jì)算，獲得內(nèi)部流場分布情況，進(jìn)而確定流道擴(kuò)張系數(shù)對介質(zhì)流動特性的影響情況。

關(guān)鍵詞：調(diào)節(jié)閥迷宮流道擴(kuò)張系數(shù)模擬流場

高壓差迷宮式調(diào)節(jié)閥的研發(fā)，有效解決了化工工藝控制過程中高壓差、易閃蒸、噪聲大等技術(shù)難題，擁有較高的工作性能。但是由于國內(nèi)高參數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，大多實(shí)驗(yàn)只能在低壓差條件下進(jìn)行，對該類閥門的研究基本停留在簡單的理論計(jì)算階段，而對于高壓差條件下閥門內(nèi)部的可壓縮流動卻無法深入研究。隨著閥門的性能不能提升，進(jìn)行高壓差工況下迷宮流道內(nèi)部可壓縮介質(zhì)的流動狀態(tài)研究具有重要意義。

1迷宮閥理論研究現(xiàn)狀

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，客戶端對迷宮閥的需求已從初始的簡單選型轉(zhuǎn)變?yōu)閷﹂y門整體性能的關(guān)注，這也在一定程度上推動了國內(nèi)閥門研發(fā)人員對迷宮閥的深入研究。如，上海理工大學(xué)王海明等[1]，采用流動顯示技術(shù)將迷宮流道內(nèi)部流場以直觀的圖像形式展示出來，對介質(zhì)渦流的形成情況進(jìn)行了分析；工裝自控工程(無錫)有限公司的吳杰[2]，介紹了低噪音迷宮式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)原理,論述了迷宮芯片與流路的設(shè)計(jì)以及流量系數(shù)的計(jì)算；上海理工大學(xué)的鐘方勝等[3]，通過實(shí)驗(yàn)方法測試迷宮閥在不同開度下的阻力特性，并與理論值進(jìn)行了對比；蘭州理工大學(xué)的李樹勛等[4]，通過理論計(jì)算與CFD仿真模擬方法對迷宮流道降壓級數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。以上諸多的研究性成果，對迷宮閥綜合性能的提升起到了很大的改進(jìn)作用，進(jìn)而節(jié)省了能源損耗以及客戶端設(shè)備使用費(fèi)用。

2迷宮流道的結(jié)構(gòu)特征及設(shè)計(jì)依據(jù)

2.1迷宮流道的結(jié)構(gòu)特征

迷宮閥是調(diào)節(jié)閥中降壓效果最好的閥門(其壓力恢復(fù)系數(shù)FL≈1)，主要得益于節(jié)流組件內(nèi)部特殊的迷宮流道設(shè)計(jì)，12級迷宮流道如圖1所示。介質(zhì)流經(jīng)迷宮流道發(fā)生多次碰撞轉(zhuǎn)折，損耗能量，實(shí)現(xiàn)逐級降壓的同時(shí)流速也得了控制。迷宮流道能夠有效地減小壓力脈動，防止振動、噪聲等現(xiàn)象的發(fā)生，從而保證閥門在較長周期內(nèi)正常可靠地運(yùn)行。

圖1　單個(gè)迷宮式流道結(jié)構(gòu)示意

對于液體介質(zhì)，當(dāng)流量恒定時(shí)，介質(zhì)流速與流通面積成反比。如果迷宮流道的流通截面積恒定不變，由于渦流的“占道”作用，會使得流道的有效面積減小，這勢必導(dǎo)致局部流速的增加。對于氣體介質(zhì)，由于具有可膨脹性，介質(zhì)流經(jīng)多級迷宮流道后，壓力的降低會導(dǎo)致體積發(fā)生膨脹。因此，也將迷宮流道設(shè)計(jì)成截面積隨著流向逐漸增加的結(jié)構(gòu)。根據(jù)IEC 60534-2-1—2011.Industrial-processControlValves-Part2-1：FlowCapacity-SizingEquationsforFluidFlowunderInstalledConditions[5]中關(guān)于迷宮流道擴(kuò)張系數(shù)的建議，擴(kuò)張系數(shù)r應(yīng)滿足下列條件：

an×1.12n≤r≤an×1.23n

(1)

式中：an——第n級流道寬度；r——r=an/an-1。

2.2迷宮流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)

迷宮流道設(shè)計(jì)目的是將流道內(nèi)部流體的壓力和速度的變化穩(wěn)定地控制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)。目前，國內(nèi)在多級降壓調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)理論方面，主要依據(jù)Herbert L. Miller. P.E提出的理論，該論點(diǎn)給出了閥內(nèi)節(jié)流件出口能量與流速限制要求，見表1所列。

將動能標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為速度頭來判定，則出口處速度頭KE的計(jì)算式為

KE=10-3ρv2/2

(2)

式中：ρ——出口處流體密度，kg/m3；v——出口處流體速度，m/s；KE——所計(jì)算的速度頭，kPa。

3迷宮流道內(nèi)部流場模擬

3.1流道模型與網(wǎng)格劃分

為研究不同擴(kuò)張系數(shù)對迷宮內(nèi)部流道流場的影響規(guī)律，以12級降壓的迷宮盤片單個(gè)流道模型作為研究對象，將進(jìn)口寬度值固定，分別建立r=1.12，1.14，1.16，1.18，1.20，1.22單位時(shí)單個(gè)迷宮流道三維模型，槽深均為1mm。

采用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)前處理器ICEM-CFD對流道模型進(jìn)行網(wǎng)格離散化處理。由于模型結(jié)構(gòu)規(guī)整，因而全部劃分為六面體網(wǎng)格，從而提高計(jì)算效率和計(jì)算精度。

3.2介質(zhì)參數(shù)與邊界條件

介質(zhì)參數(shù)與邊界條件以常見高參數(shù)工況為依據(jù)： 流體介質(zhì)溫度為500K的高溫蒸汽，選擇水蒸氣理想氣體模型；邊界條件設(shè)置為壓力入口，5MPa；壓力出口，0.1MPa，壓差Δp為4.9MPa；參考壓力設(shè)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

3.3控制方程組

在商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件中，選用改進(jìn)的RNGk-ε湍流模型求解迷宮盤片內(nèi)部流場，以連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和基于各向同性渦粘性理論的RNGk-ε雙方程組成數(shù)值模擬的控制方程組，以數(shù)值分析方法將方程組離散至一系列網(wǎng)格點(diǎn)上，求解流動區(qū)域內(nèi)的離散數(shù)值解。

連續(xù)方程為

(3)

動量方程為

(4)

式中：B——體積力總和；μeff——有效黏度；p′——修正壓力。

湍動能k方程：

(5)

湍動能耗散率ε方程：

(6)

能量方程為

(7)

式中：T——溫度；S——黏性耗散項(xiàng)；Cp——比熱容。

4模擬結(jié)果分析

為便于對不同r值時(shí)迷宮流道內(nèi)介質(zhì)流動特性進(jìn)行對比研究，分別在12級迷宮流道中設(shè)立6個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)，如圖2所示。

圖2　迷宮流道監(jiān)數(shù)據(jù)測點(diǎn)位置分布示意

根據(jù)已知的工藝參數(shù)，設(shè)置進(jìn)/出口壓力邊界條件。經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算，分別提取不同r值時(shí)6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處介質(zhì)的速度值和溫度值進(jìn)行研究。

4.1速度值

不同r值時(shí)各監(jiān)測點(diǎn)速度擬合曲線如圖3所示。從曲線可以看出，介質(zhì)在監(jiān)測點(diǎn)1，2，3，4，5處速度上升穩(wěn)定平緩，在最后一級，速度值明顯增加。并且，隨擴(kuò)張系數(shù)的增加，呈現(xiàn)出小擴(kuò)張系數(shù)時(shí)介質(zhì)流速波動梯度小，大擴(kuò)張系數(shù)時(shí)介質(zhì)流速波動梯度大的規(guī)律。另外，當(dāng)邊界條件為壓力進(jìn)口和壓力出口的情況下，介質(zhì)出口流速隨r的增加而增加，說明介質(zhì)的流通能力增強(qiáng)，流量系數(shù)增加。根據(jù)流速與壓降的關(guān)系可知，壓降是以流速的2次方成正比例變化，流速增加越多，則壓降變化梯度越大，迷宮流道的降壓效果越好。

圖3　不同r值時(shí)各監(jiān)測點(diǎn)速度擬合曲線示意

4.2溫度值

根據(jù)邊界條件設(shè)置，介質(zhì)采用了理想氣體模型，并且不與外界發(fā)生熱交換，所以該溫度場的分析也屬于絕熱節(jié)流。

不同r值時(shí)各監(jiān)測點(diǎn)溫度擬合曲線如圖4所示。從曲線可以看出，介質(zhì)在監(jiān)測點(diǎn)1，2，3，4，5處溫降平穩(wěn)，而最后一級時(shí)溫度明顯下降，說明產(chǎn)生了節(jié)流降溫現(xiàn)象。并且，隨著擴(kuò)張系數(shù)增加，溫降幅度也逐漸增大。另外，提取不同r值時(shí)迷宮流道的溫度場結(jié)果可看出，出口1和出口2溫度值存在一定的差值，如圖5所示。通過分析速度矢量圖確定，該情況的出現(xiàn)主要是由迷宮流道的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，因?yàn)檫M(jìn)口部分1～5級為串聯(lián)流路，屬于非對稱結(jié)構(gòu)；而6～12級為并聯(lián)流路，屬于對稱結(jié)構(gòu)。

圖4　不同r值時(shí)各監(jiān)測點(diǎn)溫度擬合曲線示意

圖5　不同r值時(shí)進(jìn)/出口溫度擬合曲線示意

4.3流阻系數(shù)的確定

流阻系數(shù)的大小是決定迷宮閥實(shí)現(xiàn)多級降壓范圍的重要因素。因此，該值的確定對迷宮流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也至為重要。

迷宮流道結(jié)構(gòu)是由多個(gè)直角轉(zhuǎn)彎流道按一定擴(kuò)張系數(shù)形成的連續(xù)性介質(zhì)通道。因此，其流體阻力是彎管效應(yīng)和突擴(kuò)效應(yīng)的組合。采用CFD仿真模擬方法，結(jié)合流阻測試標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置準(zhǔn)確的邊界條件，經(jīng)數(shù)值計(jì)算后獲取進(jìn)出、口壓力差值和流速，并根據(jù)公式k=2Δp/ρv2(其中k——流阻系數(shù)；Δp——迷宮流道進(jìn)、出口壓力差)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2所列。可以看出，隨著擴(kuò)張系數(shù)的增大，迷宮流道的流阻系數(shù)減小，因而流通能力增強(qiáng)。

表2　不同擴(kuò)張系數(shù)下迷宮流道的流阻系數(shù)

5結(jié)論

通過對12級迷宮盤片單個(gè)流道在不同擴(kuò)張系數(shù)情況下內(nèi)部流場情況進(jìn)行模擬分析，確定擴(kuò)張系數(shù)對介質(zhì)流動的影響情況，主要結(jié)論如下：

1) 當(dāng)介質(zhì)為可壓縮蒸汽時(shí)，最大速度位于迷宮流道最后一級處，內(nèi)能得到最大的損耗，因而溫度則降為最低，說明水蒸氣介質(zhì)在該工況下發(fā)生了“節(jié)流冷效應(yīng)”現(xiàn)象。

2) 當(dāng)進(jìn)、出口壓力一定情況下，隨著擴(kuò)張系數(shù)的增大，介質(zhì)流動速度呈增加趨勢。另外，根據(jù)流阻系數(shù)可以看出，流阻系數(shù)變化與流阻系數(shù)成反比，即： 擴(kuò)張系數(shù)越大，流通能力越大；反之，則越小。

綜合上述，擴(kuò)張系數(shù)對介質(zhì)在迷宮流道中的流量特性影響較為明顯。但是，合理選擇擴(kuò)張系數(shù)，也要綜合考慮介質(zhì)實(shí)際工況，如壓差、介質(zhì)物性、閥門口徑等。過大的擴(kuò)張系數(shù)，會在迷宮流道的最后一級處形成較強(qiáng)的渦流，較大的流速會使流道金屬表面上形成光滑明亮的斑痕；同樣，過高的流速還會致使流到出口處流體能量超過允許范圍，引發(fā)閥門噪音。因此，要嚴(yán)格按節(jié)流件出口能量限制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而延長閥門的使用壽命。

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Study on Impact of Labyrinth Path Expansion Coefficient on Fluid Flow Characteristics

Wang Ruoyu，Zhang Zhao，Hao Jiaoshan，Li Wu，Tang Yongliang

(Chongqing Chuanyi Regulating Valve Co. Ltd., Chongqing, 400700, China)

Abstract：Structure characteristics and design basis of labyrinth path are expounded through theoretical study on high differential pressure of labyrinth regulating valve with combination of fluid mechanics theory, and influence of expansion coefficient on valve performance is proposed. Single 3D model with labyrinth path is constructed. Simulation calculation on distribution of internal flow in labyrinth path is conducted with CFD fluid analysis software for medium with different expansion coefficient. Inner flow field distribution is obtained with further determination of influence of expansion coefficient on medium flow characteristics.

Key words:regulating valve; labyrinth path; expansion coefficient ; simulation; flow field

作者簡介：王若愚(1987—)，男，重慶人，主要從事控制閥仿真實(shí)驗(yàn)研究工作，任助理工程師。

中圖分類號：TH134

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)03-0059-04

稿件收到日期： 2016-01-14，修改稿收到日期： 2016-04-03。