某船用通海閥流道優化仿真分析研究*

董自虎 李 超

(海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430064)

某船用通海閥流道優化仿真分析研究*

董自虎 李 超

(海軍駐武漢四三八廠軍事代表室 武漢 430064)

論文介紹了閥門流阻系數計算方法及其測量方法,給出了閥門內部流場的數值模擬方法、計算區域、邊界條件。采用計算流體力學通用軟件 Fluent 對某船用通海閥內流場分布進行了仿真計算,根據其可視化結果分析了影響通海閥性能和產生噪聲的原因。對通海閥的流道結構進行改進,通過增加閥瓣開啟行程、對局部結構進行倒角等措施,減小了管道壁面與流體的接觸面積,管道內流體受壁面粘性的影響降低,降低湍流度,避免了流場局部出現駐點,大大減小了速度梯度和壓力梯度,改善整個流場,達到了降噪減阻的效果。分別對不同改進型式建立了模型,并進行了對比分析,驗證了改進措施的合理與正確,為閥門的降噪減阻提供了重要參考依據和方法。

船用閥門; 流道; 優化; 仿真

(Navy Representative in NO.438 Factory, Wuhan 430064)

Class Number TP391

1 引言

閥門的流道結構是流阻系數變化的主要因素,合理與否直接決定了流阻系數是否滿足設計要求值[1～2]。另外,流道結構不合理是振動及噪聲產生的原因[3]。本文對某船用通海閥(規格DN15)內流道進行分析后利用計算流體動力學技術進行仿真對比,分析降低流阻系數的有效措施。

2 閥門流阻系數及測量方法

閥門內部結構相對于管路系統的其他部分遠為復雜,對管路內部流場有較大的影響,閥門流阻系數是反映閥門引起水頭損失的主要技術參數。

1) 閥門流阻系數

流阻系數是反映閥門對流場影響的重要指標,體現了閥門對管路系統造成的壓頭損失。國家行業標準《通用閥門流量系數和流阻系數的試驗方法》(JB/T 5296-91)對各型閥門的流阻系數K定義如下

(1)

其中,ΔP定義為水流經閥門時的壓力降,即：

ΔP=P入口-P出口

(2)

ρ為流體密度,V為流體速度。

2) 閥門流阻系數的測量

試驗系統：閥門流阻系數測量的試驗圖 1所示：

圖1 閥門流阻系數測量試驗系統

圖1測量系統中各部分的名稱與功能如下：1為可控水源,為系統提供來流；2為溫度計,以測量試驗流體的溫度并由此確定流體的密度；3為節流閥,調節來流的速度；4為流量計,用作測量管路中的流體流量；5為取壓孔；6為壓差測量裝置,測量閥門之前5倍直徑位置與閥門之后10倍直徑位置的壓力差(即5所示的位置)；7為待測閥門；8為調節閥門。

3) 試驗程序

閥門的流阻系數測量試驗需遵循以下程序與注意事項：

對無特殊說明的產品,流阻系數都在閥門處于全開位置測量；

試驗閥安裝在圖示系統中,試驗水溫為5℃～40℃；

在水流沒有脈動,達到穩流狀態后記錄所有讀數；

測定并記錄次數不得少于五種流量下的壓力損失(除非產品另有說明)這些流量應包括最小流量至最大流量和介于它們之問的均分流量；

測量流量應保證產生紊流,但最小雷諾數Re為4*104；

本文通過有限體積法在計算域內將上述控制方程建立離散方程組并求解,其中雷諾應力項通過雷諾應力模型模擬。

3 計算區域與邊界條件

1) 計算域

根據標準中試驗測量規程的方法,閥門的計算域如下：計算域包括管道與閥門流道兩部分,其中閥門入口前管道的長度取閥門入口直徑的5倍；閥門出口后的管道長度取閥門出口直徑的10倍。計算域的示意圖見圖 2 。

圖2 閥門內流場數值模擬計算域示意圖

2) 邊界條件

對閥門的數值模擬中,邊界條件設置如下：入口采用壓力入口邊條,給定入口處的壓力值,出口采用壓力出口邊條,給定出口位置的靜壓力,并在計算過程中根據結果進行相應的調整,使其流速接近實際的作業工況(3.5m/s)；閥體與閥芯的壁面采用固壁邊界條件,同時在數值計算中采用壁面函數的近壁處理方法。

3) 其它

數值模擬中流道內流體采用15℃的海水,密度為1025.9kg/m3,物理粘度為1.1883×10-6m2/s。

4 流阻系數的計算

對于出入口直徑相同的閥門,數值計算結果中的流阻系數計算均采用式(1)。對于出入口直徑不相同的各型閥門,則利用Bernoulli公式計算壓頭損失,扣除加長管道沿程損失后再計算閥門流阻系數。

各參數的取值方法:

對于出入口直徑相同的閥門類型,式(1)中的壓差計算采用下式：

ΔP=ΔP1-ΔP2

(3)

式中△P1為管道出入口的壓力差,在邊界條件指定時已確定；△P2為閥門入口前與出口后的管道所造成的壓力損失,由以下方法獲得：

取入口段管道中流場相對均勻的長度為l的管段為對象(如從管道入口長度4d的一段),計算該段所造成的沿程損失△P2,并由下式計算加長管道L的沿程損失：

(4)

對于出入口直徑相同的閥門類型,式(1)中的速度取為入口位置的平均速度(等于出口位置的平均速度)。

對于出入口直徑不同的閥門類型,式(1)中的壓差計算采用下式：

ΔP=ΔPt1-ΔP2

(5)

式中△Pt1為管道出入口的總壓差(總壓定義為Pt=P+0.5ρv2),在邊界條件指定時已確定；△P2為閥門入口前與出口后的管道所造成的壓力損失,由以下方法獲得：

分別取入口段及出口段管道中流場相對均勻的長度l入、l出的管段為對象,計算各段所造成的沿程損失△P入、△P出,并由下式計算管道的沿程損失：

(6)

對于出入口直徑不相同的閥門類型,式(1)中的速度分別取入口與出口位置的平均速度計算相應流阻系數。

5 舷側閥內流場數值模擬

首先對原型閥(表示為 SCHEME1)的閥門流道進行了數值模擬,并進行了閥門型式的改型,共進行了兩次改型。因此對該型閥門共進行了三種型式閥門內流場的數值模擬,分別以 SCHEME1、SCHEME2、SCHEME3 表示。不同型式閥門的主要區別為：SCHEME1 型式的閥門閥瓣結構為圓柱,開啟行程為 10mm；SCHEME2型式的閥門閥瓣結構為圓柱,開啟行程為 12mm；SCHEME3 型式為在 SCHEME2 的基礎上將閥瓣倒角,倒角規格為 45°*3mm。

1) 數值模型

閥門的計算模型如圖 3 所示,其中流道模型參考標準《通用閥門流量系數和流阻系數的試驗方法》分別在閥門入口前增加了 5倍入口直徑的入流段管道[4～5],在閥門出口后增加了 10 倍直徑的出流段管道：

圖3 船用通海閥計算模型

邊界條件設置如下：

· SCHEME1：

入口：壓力入口邊界,給定該位置壓力值P=2.0927*104Pa；

出口：壓力出口邊界,給定該位置壓力值P=0Pa；

· SCHEME2：

入口：壓力入口邊界,給定該位置壓力值P=1.9886*104Pa；

出口：壓力出口邊界,給定該位置壓力值P=0Pa；

· SCHEME3：

入口：壓力入口邊界,給定該位置壓力值P=1.6629*104Pa；

出口：壓力出口邊界,給定該位置壓力值P=0Pa。

2) 數值計算結果及優化分析

圖4 CHEME1流道對稱面速度分布云圖(m/s)

圖5 CHEME1流道對稱面壓力分布云圖/Pa

圖6 CHEME1流道對稱面速度矢量圖

壓降是一種能量損失,它是由液體流動時克服內、外摩擦力和克服湍流時流體質點間相互碰撞并交換動量引起的。若想降低壓降,就要盡可能的降低管道內流體的內外摩擦力和湍流。CHEME1的內部流場細節見圖 4流道對稱面速度分布云圖、圖 5流道對稱面壓力分布云圖、圖 6流道對稱面速度矢量圖。

CHEME1的流動參數及流阻系數的數值計算結果見表1。

表1 SCHEME1流阻系數計算表

在CHEME1的壓力云圖中可以看到,低壓力點在A處,再參考CHEME1中的速度云圖及速度矢量圖,可以看到在該點處存在明顯的湍流。基于此,可以考慮通過降低整個管道內流場的湍流度,來降低閥的內部壓降,進一步降低流阻系數。

圖7 CHEME2流道對稱面速度分布云圖(m/s)

湍流的成因主要有兩個方面,一是粘性,二是壓力和速度梯度[6]。首先從粘性角度考慮,如果將閥件的開啟行程增大,可以認為是減小了管道壁面與流體的接觸面積,管道內流體受壁面粘性的影響降低,有利于改善整個流場,降低湍流度。基于此,算例2增大開啟行程,將算例1 的10mm調整為12mm,

同樣進行數值模擬計算,得到速度分布云圖、壓力分布云圖、速度矢量圖,分別如圖7、圖8、圖9。

圖8 CHEME2流道對稱面壓力分布云圖/Pa

圖9 CHEME2流道對稱面速度矢量圖

CHEME2的流動參數及流阻系數的數值計算結果見表2。

表2 SCHEME2流阻系數計算表

圖10 CHEME3流道對稱面速度分布云圖(m/s)

通過CHEME1與CHEME2計算結果的對比,可以看到CHEME2的流場相比CHEME1 流場的湍流度有了將為明顯的降低,整個流場得到了改善。再對比計算結果數據表,可以發現,CHEME2的閥門壓降要小于CHEME1,其流阻系數也得到了較為明顯的減小。通過進一步分析CHEME2的速度云圖與速度矢量圖,發現在B處仍然有較大的湍流,如果能進一步改善該處流場,流阻系數將得到進一步的降低。

這里主要考慮通過降低壓力和速度梯度的途徑來改善流場,降低湍流度[7～9]。通過CHEME2的速度矢量分布圖可以看到,在管道壁面的C點處存在一個駐點,而這個駐點的存在導致該區域范圍內的流體速度梯度與壓力梯度顯著增加,可以認為這是導致B處較大湍流的主要原因。如果將C點附近區域進行倒圓角處理,相當于避免了流場在C點附近處出現駐點,大大減小了附近范圍內的速度梯度和壓力梯度,將有益于該區域范圍的流場改善,降低湍流度。基于這種考慮,在CHEME2 的基礎上將C點附近倒圓角處理,將此種情況定義為CHEME3 ,同樣進行數值計算,所得計算結果見圖 10～圖 12。

圖11 CHEME3流道對稱面壓力分布云圖/Pa

圖12 CHEME3流道對稱面速度矢量圖

CHEME2的流動參數及流阻系數的數值計算結果見表3。

表3 SCHEME3流阻系數計算表

備注：流阻系數計算表中流阻系數 1：以入口流速為特征速度計算所得的流阻系數；流阻系數 2：以出口流速為特征速度計算所得的流阻系數(若入口與出口直徑相同,二者理論上相等,但由于數值截斷誤差兩個結果會略有差別)。

通過對比CHEME2與CHEME3的壓力分布云圖、速度分布云圖和速度矢量圖,可以發現CHEME3的流場得到了進一步的改善,湍流度進一步減小。而表2和表3的數據對比也表明,CHEME3的壓降更小,流阻系數相比于CHEME2進一步降低。

CHEME1、CHEME2、CHEME3的流場流線圖如圖 13,可以看出流場依次得到了改善,而表1～表3的數據對比也說明流阻系數得到了明顯的降低。由此得出可以看出,CHEME3的流道設計為最優。

6 結語

通過對DN15舷側閥閥門流道內流場數值模擬,該型閥門原型流阻系數為 3.03,若將閥瓣行程增加為 12mm,則流阻系數為 2.85；若在增加行程的基礎上對閥門倒角(規格 3mm*45°),則流阻系數降低至 2.21,流阻系數得到明顯的降低。表明通過調節閥門的開啟行程、對閥瓣進行適當倒角等措施可以有效降低閥門的流阻系數,為同類型閥門的減阻降噪提供了重要參考和方法。

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Marine Valve Flow Optimization Simulation Analysis and Research

DONG Zihu LI Chao

Paper introduces the valve flow resistance coefficient calculation method and the method of measurement, and gives a numerical simulation of valve interior flow field, the calculation area and boundary conditions. Using computational fluid dynamics of a marine general software Fluent in Kingston is used to simulate distribution of the flow field, according to the visual results of the visual analysis of the reason of impact valve performance and the noise is analyzed. Flow channel of valve structure is improved, by increasing the stroke of disc opens and chamfering of local structure, reduced the contact area of the pipe wall and fluid is veduced, the influence of viscosity of the pipe fluid from wall is reduced, reduce turbulence, the local appear stagnation point flow field is avoided, greatly reduced the velocity gradient and pressure gradient are reduced greatly, the whole flow field is imporved, the effect of noise reduction drag reduction is achieved. The different improved patterns are modeled respectively, and the comparison and analysis are carried on, it shows the improvement measures are reasonable and correct, for drag reduction and noise reduction important reference basis and methods are provided.

marine valve, flow, optimization, simulation

2016年6月11日,

2016年7月20日

董自虎,男,碩士研究生,工程師,研究方向:艦船質量監造、艦船系統減振降噪。李超,男,碩士研究生,助理工程師,研究方向:艦船質量監造、艦船系統減振降噪。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.12.022