基于动网格与UDF技术的阀门流场数值模拟

                                  0 前言
                                 
                              阀门具有阻止、控制和调整作用，广泛用于流体机械、流体传动和控制系统中。对阀门的要求，一是控制可靠，二是阻力小、损失少。但是，由于阀门对流体的阻止作用以及不同开度的影响，必然导致流场结构的变化以及复杂涡系的产生，从而导致各种损失，尤其是在阀门突然启闭的过程中，流量剧烈变化，导致压强等参数的剧烈变化，不但流动损失会加剧，而且会有剧烈的冲击与振动，这种冲击和振动往往导致阀体的变形与疲劳破坏，不仅影响控制和调节精度，而且可能导致整个系统工作失灵。同时，由于涡系和流动冲击，必然产生噪音，这是一些特殊领域（如潜艇）非常关注的问题。
                                 
                              基于以上原因，必须对管道流场进行深入研究，以作为阀门减阻、安全、减振、降噪设计与结构优化的参考。由于阀门结构较复杂，其流动参数难以测量，国内在实验方面的研究相对较少，对管道流场的流动细节的测量基本没有。文献（1）对3种阀门（蝶阀、球阀、闸阀）的流噪声进行了实验研究，文献（2，3）分别对给水管网中阀门阻力和电动球阀流量特性进行了实验研究。
                                 
                              近年来，随着计算流体动力学（CFD）和计算机技术的飞速发展，数值模拟手段广泛应用于内部的复杂流动研究。数值模拟手段加深了阀门设计者和科研人员对其内部复杂流动的认识，从而有可能从改善其内部流场结构出发，达到降低流动损失，改善阀门的振动性能的目的（4）。但以往的数值模拟多局限于定常或非定常静态（即阀门静止）研究，如文献（4-7），它们的共同点是分别具体研究阀门停留在某几个特殊位置时的流动状态，从而找出其开度、受力、流噪音等与流动参数之间的关系。这对于模拟阀门稳定工况是合理的，但作为设计参考，必须考虑变工况以及开关过程等。
                                 
                              本文利用FLUENT软件，对4种常见阀门流动进行了动态数值模拟。得出了开关过程中流场详细流动结构与阀体受力情况。
                                  1 物理模型与数值方法
                                 
                              利用了FLUENT前处理软件GAMBIT生成闸阀、蝶阀、球阀以及调节阀的计算网格，如图1所示。计算中选用分离求解器；k-ε湍流模型；速度入口，V=10m/s；出口压力为零（相对于大气压）。前3种阀门通过水，调节阀通过水蒸气。
                                 
                              同时利用了FLUENT软件所提供动网格技术以及用户自定义函数（UDF）。对各种阀门的启闭过程进行动态仿真时，动网格用于调整和更新阀门运动后的网格，以确保计算网格质量；UDF用于定义阀门的开关规律（本文算例均基于速度随时间变化规律），使阀门实现连续的启闭过程。关于动网格与UDF详细介绍可参考FLUENT提供的帮助文档。

                              图2（a）中，由于阀门开度较小，流体所受阻滞作用较大，入口静压很大，而阀门背风侧压力较低，在阀与管壁的微小缝隙中形成了一股高速射流。在阀门左侧与右侧分别形成了漩涡，进口侧的涡是由于受阀体阻碍的流体与流动流体的剪切作用形成，而右侧涡主要由于射流与阀体背风侧低速流体剪切作用形成，该涡一直影响到出口。同时在此涡的诱导作用下，右上角形成了一角涡。随着阀门开度的增大（图2（b）），左右两侧的压力差有所改善，射流剪切作用减弱，右侧涡也有所减小，并且右上角角涡也消失了。

                               
                                  
                              由图3可以得到，阀门x方向受力系数（drag）和y方向受力系数（lift）在开度较小时随开度减小而增大。阀门开始打开或即将关闭时，x、y向受力均剧烈变化，不仅会产生冲击振动与噪音，而且当阀门长期进行开关动作后，会因变形而影响控制精度，严重时将导致弯曲疲劳破坏。开度较大时，在一定范围内，受力变化不大。

                                  
                              图4为蝶阀不同时刻流线图。t=0.5s时，阀门只开了一小缝，大部分流体被挡在左侧，左右压差较大。从蝶阀上方越过的流体折向下方，从下方越过的流体也有较小上折的趋势，从而形成两个旋向相反的旋涡，这两个旋涡在向下游发展过程中，相互作用，控制了下游整个流场。因此，可以推测其损失也很大。当阀门处于完全开启状态，阀门方向与水流方向一致，水流所受阻滞作用较小，压力分布、速度分布和流线均相对轴线对称，水流流动过程中局部损失很小。阀门处于一般状态时，流体经过阀门后会在轴线附近产生一对大小、强度不等的旋涡。
                                 
                              图5揭示了蝶阀不同时刻受力系数与力矩系数变化。蝶阀x方向受力特点与闸阀比较接近，但是y向力在小开度时有振荡的趋势，这主要是由于蝶阀两端旋