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基于管道改進的蝶閥閥板驅動力矩特性優化

類別:蝶閥 | 作者:金曉宏 唐文 曹金秋 | 發布日期:2018-08-09 11:54:41

    蝶閥作為一種用來實現管路系統通斷和流量控制的AG视讯试玩產品,己廣泛應用于能源輸送、化學工程、給水排水等的系統管路上,適合于在液體、半流體及固體粉末管線容器上作為調節和節流設備使用。蝶閥在一定開度下,流體通過時,閥板下游側會形成漩渦,導致管道內流體能耗增加,同時可能會引起管道氣蝕和振動。關于蝶閥漩渦如何消除以及蝶閥力矩特性如何改善的相關研究較多,如吳東垠等設計了一種仿貝殼型蝶閥蝶板,該設計利用仿生學原理,能夠有效降低在非關閉狀態下流體流經蝶閥時的壓力損失,減少蝶板下游漩渦的生成;鄭鵬等利用ANSYSFLUENT軟件對蝶閥入口處進行高溫煙氣仿真得出閥開度小于30°時會出現渦流,且閥板開度越小,渦流現象越明顯;何慶中等利用CFX軟件對某三偏心蝶閥流場進行了數值模擬,發現開度較小時蝶閥下游渦街現象強烈,對蝶板結構進行優化后渦街效應明顯減弱;何建慧等在閥板加強筋上開設過流孔,大大增加了流體流量,有效消除了閥板表面漩渦,降低了流動阻力。 內容來自sx-yh.com

    為了消除蝶閥小開度時流體通過閥板后產生的漩渦,本文研究提出一種對管道進行改造的方法,在原直管蝶閥出口附近處安裝一漸擴漸縮管,并比較直管及加裝漸擴漸縮管后的管道中閥板開度不同時的流場和驅動力矩,以期為優化閥板驅動力矩提供一種新思路。

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1、直管流場分析

1.1 蝶閥直管管道基本參數 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

以某燃氣設備進氣道上Φ11000mm的標準蝶閥為研究對象。該蝶閥安放于直管中,其結構示意圖如圖1所示。圖1中,管道左邊為進口;θ為蝶閥閥板的開度;O為閥板中心,處于管道的正中心位置。管道的基本參數為:管道內徑D=1m,計算長度L0=5D。

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圖1 直管中的蝶閥安裝示意圖 copyright sx-yh.com

1.2 模型和邊界條件設定

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  1. 計算模型。由于介質黏度極低,流動狀態為湍流,故選取標準湍流k-ε模型。
  2. 材料參數。流體介質為空氣,其馬赫數不大于0.3,可近似處理為不可壓縮;密度為1.225kg/m3;溫度為300K。
  3. 邊界條件。進出口設為壓力入口和壓力出口,其中入口壓力為Pin=0.03MPa,出口壓力為Pout=0MPa。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。

    為了能更好地查看閥板附近的流場,將整個CFD模型劃分為閥體和管道兩部分,而在閥板附近模型相當不規則,因此將閥板附近區域的網格進行加密,共劃分網格總數約為105個。數值仿真中閥板開度范圍為0°~90°。

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1.3 控制方程

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    氣體在閥門及管道內流動是三維的,計算模型采用方程式(1)~式(5)。模型參數取值為:Cμ=0.09,C1ε=1.44,C2ε=1.92,σk=1.0,σε=1.3。 sx-yh.com

1.4 仿真結果與分析 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

    不同閥板開度下直管流場的部分速度矢量圖如圖2所示。由圖2中可以看出,當閥板開啟時,閥板后側面處氣流出現了漩渦。漩渦的產生主要是因為氣體流過閥板時產生了邊界層分離,下游氣體進入進行補充產生回流,進而生成漩渦。當閥板開度θ較小時,漩渦的強度較大;隨著AG视讯试玩閥板開度θ的增大,閥板與氣體來流方向的夾角(90°-θ)減小,邊界層分離減弱,漩渦強度也減弱;同時,隨著閥板開度θ的增大,漩渦中心逐步向閥板轉軸中心處靠近。

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圖2 直管流場的速度矢量圖

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    閥板在不同開度下直管流場的部分速度云圖如圖3所示。不同開度下氣流速度的最大值如表1所示。由速度云圖和表1可知,蝶閥安裝在直管中時,氣體在閥板前腔的流動比較穩定,繞過閥板后,速度發生了很大改變,閥板開度為0°~70°時,氣流速度的最大值隨著閥板開度的增大而增大;開度達到70°時,在閥板下出流開口處,氣流速度的最大值達到最高;之后閥板開度繼續從70°增至90°時,閥板與氣體來流方向夾角較小,閥板背面氣流速度變化不大。 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

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圖3 直管流場速度云圖 重慶AG视讯试玩閥門

    閥板在不同開度下直管流場的部分壓力云圖如圖4所示。不同開度下流場壓強Pυ的最小值如表2所示。由壓力云圖和表2可知,當氣體流過蝶閥時,閥板上游的壓強為正壓,其值穩定;閥板后側面壓強為負壓,閥板后側面附近區域內各點壓強差異較大。在閥板開度為0°~60°時,負壓區域和負壓絕對值隨著開度的增大而增大;閥板開度為60°~70°時負壓區域逐漸減小,負壓絕對值在閥板開度為70°時達到最大;閥板開度從70°增至90°時,負壓區域和負壓絕對值均逐漸減小。

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圖4 直管流場壓力云圖 內容來自sx-yh.com

表2 直管流場中的壓強最小值 sx-yh.com

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       綜上分析可知,蝶閥安裝在直管中,氣流流過閥板時會生成漩渦,閥板開度較小時氣體通過閥板后速度改變較大,此時形成的漩渦強度較大,隨著θ的增大,閥板與氣體來流方向的夾角減小,邊界層分離減弱,漩渦強度減小;負壓區域隨著開度的增大而擴大,直到閥板開度超過60°時,負壓區域才慢慢縮小。 重慶AG视讯试玩

2、漸擴漸縮管流場分析

2.1 改裝后漸擴漸縮管的基本參數 sx-yh.com

    由上述分析可知,在直管中閥板開度較小時,閥板后側面處氣流會形成一個尺寸較大的漩渦。為了減小蝶閥小開度時產生的漩渦,減少管道振動對閥板帶來的破壞,使蝶閥在轉動時有更好的驅動力矩特性,本研究在原直管上蝶閥出口附近處增加一漸擴漸縮管段,其結構尺寸如圖5所示,其中L0=0.4D,L1=D,L2=1.5D,L3=5D,L4=1.5D,δ=20°。

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圖5 改造后的管道示意圖 重慶AG视讯试玩閥門

2.2 仿真方法 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

    漸擴漸縮管流場的計算模型、材料參數和邊界條件的設定均與直管流場模型所用參數相同,并采用相同的控制方程。模型共劃分網格約162000個,數值仿真中閥板開度范圍為0°~90°。 重慶AG视讯试玩

2.3 仿真結果與分析 內容來自sx-yh.com

    圖6所示為不同閥板開度下漸擴漸縮管流場的部分速度矢量圖。由圖6中可以看出,加裝漸擴漸縮管后,閥板開度較小時,閥板附近沒有漩渦生成,只在擴大管段的后半部分有兩個強度較弱的漩渦生成;隨著閥板開度的增大,在θ為40°左右時,在閥板附近生成漩渦,但其漩渦強度較直管流場中相同閥板開度下生成的漩渦強度要小;隨著開度的繼續增大,閥板附近的漩渦又慢慢減小。這是因為,在漸擴漸縮管段中,管道直徑的增大使得氣體流速下降,同時擴大段內壓力比直管內壓力大,也有效地減緩了氣體往低壓力點的回流運動,使得閥板附近沒有回流產生,所以在閥板開度較小時,漸擴漸縮管中閥板附近幾乎沒有漩渦生成。 重慶AG视讯试玩

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圖6 漸擴漸縮管流場速度矢量圖

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    圖7所示為不同閥板開度下漸擴漸縮管流場的部分速度云圖。不同閥板開度下漸擴漸縮管流場中氣流的最大速度值如表3所示。對比圖7與圖3及表3與表1可知,增加漸擴漸縮管后,蝶閥管道中氣流的最大速度明顯減小,比直管中的相應值降低了近10%;隨著閥板開度的增大,漸擴漸縮管流場中氣流的最大速度呈先增大后減小的趨勢,在閥板開度約為60°時,氣流的最大速度達到最大值;在漸擴漸縮管中,閥板的上出流開口處和下出流開口處的氣流速度較大,擴大段中心的氣流速度較小;隨著閥板開度的增大,上出流開口和下出流開口增大,漸擴漸縮管流場中氣流速度較小的區域變小。 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

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圖7 漸擴漸縮管流場速度云圖

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表3 漸擴漸縮管流場的最大速度 本文來自重慶AG视讯试玩閥門

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     圖8所示為不同閥板開度下漸擴漸縮管流場的部分壓力云圖。表4所示為閥板不同開度下漸擴漸縮管流場中壓強Pυ的最小值。由圖8可知,在閥板開度為30°~70°時,隨著閥板開度的增大,負壓區域呈減小趨勢。由表4可知在閥板開度為0°~60°時,漸擴漸縮管中負壓絕對值隨著閥板開度的增大而增大;閥板開度為60°時,漸擴漸縮管負壓絕對值達到最大;閥板開度為60°~90°時,漸擴漸縮管中負壓絕對值隨著閥板開度的增大而開始緩慢減小。對比表4與表2可知,漸擴漸縮管流場負壓區的負壓絕對值要小于直管流場負壓區的負壓絕對值,增加漸擴漸縮管后管道中氣流的負壓絕對值減小了近一半。

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圖8 漸擴漸縮管流場壓力云圖

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表4 漸擴漸縮管流場中的壓強最小值

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      綜上分析可知,在相同開度條件下,相對于直管流場而言,漸擴漸縮管流場在蝶閥小開度時漩渦現象大為減弱,氣體的最大速度值明顯下降,負壓絕對值也大大降低。 內容來自sx-yh.com

3、漸擴漸縮管的驅動力矩特性分析

    蝶閥轉動所需要的總驅動力矩TO等于閥板的氣動力矩Tm和摩擦力矩Tf的和,其中Tf隨著閥板的轉動變化很小,可以忽略,故閥板的驅動力矩近似等于氣動力矩,其計算公式為:

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式中:Fx、Fy分別為閥板單位面積上沿x、y方向所受的作用力;n為網格節點總數。 copyright sx-yh.com

    采用FLUENT中的Report工具進行求解,結果如圖9所示。由圖9可以看出,與在直管中相比,增加漸擴漸縮管后閥板的驅動力矩有一定程度的減小;兩種不同的管道中,蝶閥閥門開啟后,隨著開度的增大,閥板的力矩特性均呈先單調遞增,達到最大值后蝶閥力矩又開始單調遞減的規律,直管和漸擴漸縮管中閥板開度分別為76°和63°時其力矩達到最大值,最大值分別為2611N·m和1475N·m,漸擴漸縮管中閥板驅動力矩的最大值相對于直管中閥板驅動力矩的最大值減小了約44%。

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圖9 閥板驅動力矩曲線

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    綜上分析可知,與蝶閥在直管中安裝的情形相比,開度相同時,在漸擴漸縮管中蝶閥閥板的驅動力矩更小,產生最大驅動力矩的起始開度也較小。加裝漸擴漸縮管后,蝶閥閥板的驅動力矩特性曲線較直管中蝶閥閥板的驅動力矩曲線平緩。較小的驅動力矩值和平坦的力矩曲線,更有利于對蝶閥閥板開度乃至蝶閥流量的精確控制。 sx-yh.com

4、結論

  1. 蝶閥安裝在直管中,氣流通過閥板時,由于鈍體繞流作用,氣流繞過閥板邊緣后發生邊界層分離,使閥板背面產生漩渦,并且隨著閥門開度增大,漩渦減弱,氣流最大速度出現在氣流穿過閥板時下出流開口處。
  2. 增加一段漸擴漸縮管有利于改善閥板的驅動力矩。增加漸擴漸縮管段后,閥板驅動力矩的最大值減小了約44%,更有利于對蝶閥閥板開度乃至蝶閥流量的精確控制。
  3. 增加一段漸擴漸縮管有利于降低管道中的負壓強度,降低閥板下出流開口處的最大氣流速度,消除閥板小開度時閥板附近產生的漩渦,但是在閥板開度較大時在閥板附近還是有較小的漩渦產生。
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