1、概述

　　安裝在管路上的閥門,當有介質(zhì)流動時要產(chǎn)生局部阻力,克服這種阻力要消耗能量。能量的消耗表現(xiàn)在壓差的速度損失上,因為閥前壓力比閥后壓力高,這就需要確定某些與閥門流體阻力有關(guān)的數(shù)據(jù)。如壓力損失(閥前和閥后的壓力差)等等。

　　近年來,隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,某些發(fā)達國家已經(jīng)在閥門領(lǐng)域的研究與開發(fā)中運用流體流動分析軟件( FFSS———Fluid Flow Simulation Software)進行設(shè)計方案的測定及其改進。現(xiàn)階段,我國對閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)測定的方案主要集中在傳統(tǒng)的實物安裝測定上,而從水利的角度對其內(nèi)部流場的研究投入較少,使得對閥門的流量系數(shù)和流阻系數(shù)在設(shè)計上得不到很好的控制。為了更好的改進閥門的流通性能,減少設(shè)計及試驗成本,運用數(shù)值模擬的方法分析其內(nèi)部流場是十分必要的。在真空技術(shù)網(wǎng)發(fā)布的本文運用COSMOSFloWorks流體分析軟件,對船用消防閥在全開和半開情況下的流場進行了數(shù)值模擬,及流體在消防閥內(nèi)的流動分析。

2、流程分析

2.1、設(shè)定分析項目

　　設(shè)消防閥內(nèi)部流動的介質(zhì)為水,依據(jù)JB /T 5296-91的有關(guān)規(guī)定(水流通過閥門達到穩(wěn)流時的流量系數(shù)) ,選擇流動模型為單向流體的不可壓縮粘性流動,無氣穴現(xiàn)象,端墻設(shè)置為絕熱壁,采用不可壓縮流動的雷諾方程組與κ-ε紊流模型構(gòu)成封閉的分析模型。

2.2、消防閥流道模型及網(wǎng)格劃分

　　以DN65的消防閥(圖1)為例,保證流體的穩(wěn)定流暢性,取閥前管道長度L1=5D(D為管道直徑) ,閥后管道長度L2=5D作為分析的封閉區(qū)域。網(wǎng)格劃分采用了非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格技術(shù),利用COS-MOSFloWorks的網(wǎng)格劃分功能對其進行網(wǎng)格劃分,采用自適應(yīng)的網(wǎng)格技術(shù)對流場進行模擬。

2.3、邊界條件

　　消防閥的邊界條件主要有入口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件等。

　　①入口邊界條件　選擇流體入口的流體流速為消防閥介質(zhì)的入口流速。

　　②出口邊界條件　選擇流體的出口壓力為消防閥介質(zhì)的出口邊界條件。

　　③壁面邊界條件　選取為粘性流動,采用壁面無滑移條件。針對粘性底層和過渡層采用壁面函數(shù)法求解。

　　紊流模型采用標準κ-ε模型。規(guī)定進口邊界條件為velocity-inlet,進行閥門的流體計算時,必須知道管路流速v,此速度可以通過流量來確定(G(t/h)或Q(m³/h)) ,或參考表1選取。選定管道進口速度V=2m/s,出口邊界條件定為靜態(tài)壓力P =1.01325MPa。

表1　一般采用的管路流速m/s

圖1　消防閥

3、求解結(jié)果分析

3.1、基礎(chǔ)理論

　　流阻系數(shù)用于表征物體對流體流動的阻力大小, 是一個無量綱數(shù)。隨著流速的加大, 流體的流動狀態(tài)將經(jīng)歷層流區(qū)、層流到紊流的過渡區(qū)、水力光滑區(qū)和水力粗糙區(qū)等幾個狀態(tài), 其中前3個狀態(tài)流阻系數(shù)ζ與雷諾數(shù)(Re)相關(guān), 是一個變值。當流體過渡到水力粗糙區(qū), 也就是阻力平方區(qū)后,流阻系數(shù)ζ與Re 無關(guān), 成為一條水平線, 壓力損失△P與流速V的平方成比例, 流阻系數(shù)只與相對光滑度r0/ε相關(guān)。因此, 在流體工程領(lǐng)域, 流阻系數(shù)定義為阻力平方區(qū)的常數(shù)值, 流阻系數(shù)取值的前提條件是流態(tài)進入阻力平方區(qū)。判斷依據(jù)是Re>Rec , (Rec ———邊界雷諾數(shù)) 取Rec=2300。圓管定常流動的下臨界雷諾數(shù)取2300。