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                  1 引言
                  研究的電動調節閥主要用于空調、制冷、采暖等樓宇自動控制系統中冷/熱水,蒸汽的流量調節。它是一個不可缺少的控制元件,同時也是產生能耗的元件。因此,研究調節閥的水力特性,對于降低能量損失以及指導閥門設計有十分重要的意義。由于調節閥內部流動極其復雜,對于調節閥水利特性的研究主要還是以試驗為主,成本高,耗時長,不利于新產品的開發。隨著計算機與CFD的發展,CFD數值模擬的優越性越來越明顯,它不僅能詳細地顯示調節閥的內部流場,而且相對于實驗研究,它有其獨特的優點:研究成本低,周期短;能在計算機上直觀地顯示結果,便于優化設計;同時,它具有很好的重復性,條件容易控制。
                  利用Fluent軟件對調節閥內部的三維粘性流場進行了數值模擬,并對可視化結果以及流量特性進行了分析。
                  2 幾何建模
                  調節閥的實體模型,如圖1所示。


                  需要建立內部流體區域的模型,使用CATIA軟件建模,考慮到對稱性結構以及計算速度,取閥門內部流道區域的一半作為計算區域。為了使流體充分流動,前后管道分別加長2倍管徑和5倍管徑。
                  3 流場分析理論基礎
                  假設調節閥內部流動為三維不可壓縮粘性流動,內部流體為紊流流動。用標準κ-ε紊流模型來封閉湍流時均運動控制方程。
                  (1)不可壓縮流體的連續性方程:
                  (2)不可壓縮流體紊流運動方程:
                  (3)標準κ-ε方程:
                  (4)紊流動能κ的方程:
                  (5)耗散率ε的方程:
                  式中:
                  ρ—流體密度;
                  ui—流體沿方向的速度分量;
                  p—流體微元體上的壓力;
                  μ—動力粘度;
                  υt—湍動粘度;
                  κ—湍流動能;
                  ε—耗散率;
                  υ—運動粘度;
                  模型常數:Cε1=1.44,Cε2=1.92,σκ=1.0,σε=1.3。
                  4 網格劃分與邊界條件
                  利用Fluent前處理軟件Gambit進行網格劃分,在閥芯附近,速度與壓強的梯度比較大,因此在此處進行網格細化,采用的是非結構化的四面體網格;而在進出口采用六面體網格??偩W格數在(15~20)萬之間,如圖2所示。以進、出口壓力作為邊界條件。

                  5 定常計算
                  采用分離求解器(Segregated)進行求解,流體介質為水,密度為1000kg/m3,動力粘度系數為υ=0.001003Pa•s。設定邊界條件為進口壓力和出口壓力,湍流模型采用標準κ-ε方程,模型參數設為湍流強度I和水力直徑D。近壁區采用標準壁面函數法,固壁面采用無滑移邊界條件。壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法,離散格式全部采用二階迎風格式,求解過程中松弛因子為:壓力項0.2,速度項0.5,紊流動能和耗散率均為0.5,監視進、出口的質量流量。
                  6 計算結果及分析
                  對DN40調節閥全開時進行模擬分析,迭代15000次達到收斂,模擬結果,如圖3~圖10所示。從殘差圖以及進口流量監測圖,如圖3、圖4所示??梢钥闯?,收斂效果很好,說明所建模型以及計算方法是合理的。

                  6.1 內部流場分析
                  (1)從速度圖和壓力圖來看,如圖5、圖6所示。管道進、出口速度與壓力分布比較均勻,表明所取得計算區域可以讓水流充分流動,水流至閥芯底部時滯至,此處壓力升到最高。當水流至閥芯與閥座之間時,流通面積迅速減小,此處的壓力也迅速降低,而速度達到最大,流過閥芯時,壓力上升而速度下降。

                  (2)從壓力等值線來看,如圖7所示。在閥芯附近分布較密,壓力降主要集中在此。

                  (3)從速度矢量圖可知,如圖8所示。經閥芯流出的主流集中在管的頂部,流速不均勻。

                  (4)從紊流動能等值線圖可知(圖略)。紊流動能在閥芯附近分布最密,紊流動能最大,能量損失主要集中在此。
                  (5)從流線圖可以清楚地看到(圖略)。在上閥腔的右下側以及下閥腔左上側有較大范圍的漩渦,并在上閥腔右下側形成了劇
                  烈紊動的分離回流區,引起能量損失。
                  6.2 流量特性分析
                  調節閥的流量系數定義為:溫度為(278~323)K(5~40℃)的水在105Pa壓強下,1h內流過調節閥的立方米數,用m3/h表示。

                  式中:
                  KV—調節閥的流量系數;
                  Q—調節閥流量,m3/h;
                  △P—調節閥前后壓差,KPa。
                  對DN40-DN80調節閥數值模擬的結果,如表1所示。由表1可知:KV值誤差并不大,表明模擬結果是可靠的。

                  7 結論
                  調節閥流量系數的模擬值和理論值吻合較好,表明CFD可以應用于調節閥的流場分析。并且得到了調節閥內部詳細的流動情況:速度場分布、壓力場分布、流線走向、漩渦及二次流等,為調節閥流道結構的優化提供了理論依據。同時,對于其它類型閥門流場的模擬有較大的參考價值。
                  參考文獻
                  [1] 付祥釗,龍天渝,蘇亞欣等.計算流體力學[M].重慶:重慶大學出版社,2007
                  [2] 韓占忠,王敬,蘭小平.Fluent流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2004
                  [3] 袁新明,毛根海,張土喬.閥門流道流場的數值模擬及阻力特性研究[J].水力發電報,1999(4):60~66
                  [4] 明賜東.調節閥應用1000問[M].北京:化學工業出版社,2006

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