CFD仿真回答了两个问题:给定压降下的最终流量是多少?它是如何根据旋塞的位置变化的?此外,还可以监测旋塞上的流体作用力,以评估阀门的结构性能。
了解阀门在一系列操作条件下如何工作,对于表征阀门的整体性能至关重要。业界已制定出行业标准,如Cv,来规范对阀门性能的评估。
Cv是一个相对值,是指在单位时间内,用于测量在既定压力增加值下通过阀门的流量。Cv越大,在规定压降下,阀门通过的流量就越大。借助Cv,设计工程师可以快速比较不同型号或品牌的阀门,并找到最合用的阀门。
什么是截止阀
截止阀通过球形塞的垂直线性运动来调节流量。截止阀由阀体、阀杆、阀塞(即“阀球”)和阀盖组成。主要用于调节腐蚀性或高粘度流体。其固有的形状特征使得当阀门完全关闭时,大部分流体从排放侧排出,从而最大程度地减少了发生腐蚀或阀门堵塞的可能性。
预测截止阀内的压降
本案例用于仿真的几何结构取自GrabCAD标准截止阀,流体在模型内从左向右流动,如下图所示。CFD仿真回答了两个问题:给定压降下的最终流量是多少?它是如何根据旋塞的位置变化的?此外,还可以监测旋塞上的流体作用力,以评估结构性能。
对于给定的CAD模型,其流体域尚未确定。下一步,需要根据当前几何体提取流量。这可以在SimScale平台中自动完成。
如下图所示,所得形体为阀门几何形状的负形。在做仿真准备时,增加了一个入口和出口管道延伸段,以获得足够的入口长度使流体充分流动。
截止阀设计优化:仿真的最终目标
仿真的目的是计算流量系数。作为行业标准,流量系数描述了在给定压降下通过孔板、阀门或其它组件的流量。这个方程式中用加仑/分钟表示流量单位,用磅/平方英寸表示压力。比重通常设置为1,即水的比重。标准仿真参数设置包括规定穿过阀门的压降为1 psi,然后运行CFD仿真以评估流速。
开始行动:阀门仿真参数设置
规定入口处的压力边界条件为1 Psi,出口处的压力边界条件为0。在6个不同的旋塞位置(1、2、4、6、8和10 mm)进行仿真流量计算。在32核机器上同时运行6个仿真,与传统桌面CFD软件相比,极大地改善了周转时间。
使用了六边形主导自动网格,一般细度设置为中等。为了提高结果的准确性,还添加了特征细化、表面细化、区域细化和壁面层等,以进一步增强网格。
CFD仿真:截止阀的不可压缩分析
然后将几何图形上传到SimScale平台,并选择当流体速度远小于马赫数时进行不可压缩流动仿真。采用SST k-Ω湍流模型,以稳态方式进行分析。水被分配给单个CAD实体。该仿真使用32计算核运行了1000秒(或迭代)。
截止阀压降:结果分析
与预期的一样,最高速度出现在旋塞壁和阀座之间。一个不直观的发现是旋塞左侧的速度射流。它不是按照平行于旋塞/外壳壁的方式向外喷射,而是朝垂直方向直喷。这与旋塞右侧形成对比,后者具有更可预测的速度射流。这可以通过横截面上显示速度大小的剖面来表示
上图显示了不同阀塞位置开口处旋塞上的作用力。截止阀的位置与力的关系曲线难以预测,很难判断最大作用力可能出现在哪里。如上图所示,截止阀旋塞在打开2 mm时承受最大力。
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