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大口徑蝶閥內(nèi)部流場計(jì)算及其改進(jìn)
閱讀:1709 發(fā)布時(shí)間:2014-10-29對于大型輸水工程中的蝶閥來說,其主要特點(diǎn)在于口徑大、流量大。為降低輸水過程中的能量損耗,提高輸水效率,必須設(shè)法降低蝶閥的壓力損失,提高流量系數(shù)。
1 計(jì)算模型
1.1 幾何建模
首先采用Solidworks軟件對蝶板進(jìn)行了三維造型(見圖1)。蝶板底部直徑為3.4m。蝶板上部設(shè)計(jì)為拱形結(jié)構(gòu),拱形內(nèi)部設(shè)計(jì)有若干格柵以提高水的過流面積。拱形兩側(cè)各有一個(gè)凸臺用于安裝蝶板的轉(zhuǎn)軸。
圖1 原型蝶板的三維造型
初步分析認(rèn)為,拱形兩側(cè)的凸臺可能會引起流動的紊亂,因此將其改造成流線型,其三維造型見圖2。
圖2 改進(jìn)型蝶板的三維造型
1.2 計(jì)算建模
計(jì)算模型采用三維N-S方程及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。其主控制方程為:
式(1)中,Q為守恒變矢量;f,g,h分別為3個(gè)坐標(biāo)方向的通量,分別表示為式(2)~式(5):
其中應(yīng)力項(xiàng)為第2頁式(6)。
采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型進(jìn)行求解,具體方程見第2頁式(7)和式(8)。式(7)和式(8)中Gk為湍流動能,ε為湍流動能耗散率,σk和σε分別為k和ε的Prandtl數(shù),
(6)
(7)
(8)
(9)
其中S為平均應(yīng)變速度張量的模量,μt為湍流黏度,
(10)
模型中的各常數(shù)取值如下:
C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。(11)
計(jì)算條件:流動入口速度5m/s,入口壓力100kPa。
2 計(jì)算結(jié)果及分析
按閥前入口流速5m/s、入口壓力100kPa計(jì)算,采用動網(wǎng)格技術(shù)獲得了蝶板動態(tài)過程中的流場變化(見圖3)。
圖3 閥門開啟過程流態(tài)變化
計(jì)算也給出了改進(jìn)前后兩種蝶板在水平(即全開)狀態(tài)下的繞流流線圖和壓力云圖(見圖4、圖5,第3頁圖6、圖7)。從流線圖可以看出,原型閥門蝶板附近的流動比較紊亂,而改進(jìn)后的流動則較為光順。反映到壓力上,從壓力云圖可以看出,改進(jìn)前后的壓力梯度具有明顯不同。原型蝶板在兩側(cè)凸臺和外側(cè)筋板上有明顯的壓力集中,容易造成結(jié)構(gòu)損壞,而改進(jìn)后蝶板的壓力分布則較為均勻。
圖4 原型蝶板流線(速度量)
圖5 改進(jìn)型蝶板流線(速度量)
圖6 原型蝶板壓力云(表壓)
圖7 改進(jìn)型蝶板壓力云(表壓)
從計(jì)算結(jié)果看,改進(jìn)后的蝶板具有“大流量系數(shù)、小壓力損失”的明顯優(yōu)點(diǎn)。
更具有工程實(shí)際意義的數(shù)據(jù)是流量系數(shù)和壓力損失系數(shù),本文的計(jì)算也分別給出了改進(jìn)前后的相關(guān)結(jié)果(見表1)。
表1 蝶板改進(jìn)前后的壓力系數(shù)和流量系數(shù)
從表1的計(jì)算結(jié)果可以看出,改進(jìn)后蝶板的阻力降低約30%,壓差降低9%,壓力損失系數(shù)降低約9%,而流量系數(shù)則增加了5%。
3 經(jīng)濟(jì)性分析
該蝶閥閥板采用鑄造工藝成型。改進(jìn)后材料費(fèi)增加約5%,加工工藝沒有太大的變化,總的制造成本略有增加。但改進(jìn)后的閥門因具有流線形的兩側(cè)凸臺,其結(jié)合部位的應(yīng)力集中情況得到很大改善,在大載荷工況下不易發(fā)生破壞,使得閥門故障率明顯降低,壽命則明顯延長;而且降低了輸水過程中的能量損耗,提高了工作效率。相比較而言,制造成本的增加*可以忽略不計(jì)。