基于ANSYS的闸阀阻力系数研究

    无论是在流体机械还是在流体传动与控制系统中，都会用到各式各样的阀门，这些阀门装置的主要功能是对流体的流量、压力和流动方向进行调节和控制，以满足工作系统的要求。该过程中要求阀门控制可靠、阻力小、损失少。21世纪以前，对各类阀门尤其是阀门流道流动特性的研究尚未引起重视，在设计中基本上还是依据常规设计方法和经验，只考虑结构型态而不考虑流阻损失，从而引起较大的能耗。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流体内部复杂流动的研究上。笔者对闸阀的阻力特性进行了研究，通过ANSYS软件的FLOTRANCFD工具模拟了闸阀内部的流场。
    1 模型与数值方法
    笔者主要研究的是闸阀内部流场，简化闸阀原型，使得闸阀通道为圆形通道，闸板为平板闸板。因此只需建立带有闸板的闸阀通道模型，闸阀的CFD模型与实物呈1∶1，以闸阀左下端点为原点，建立直角坐标系，其几何模型如图1所示（以闸板开度50%为例）。

图1 平行式单闸板闸阀几何模型

    采用阀门的进口速度和进口压强作为进口的边界条件，在绝对参考系下给定一均匀来流，方向垂直于进口面，速度大小分别为1、2、3、4、5m/s，强度和水力直径由公式推导出，进口表面压强为2kPa；出口边界采用自由出流，由于全部流场只有一个出口，其出口表面压强设为0；由于在固壁处质点满足无滑移边界条件，设壁面速度为0。
    笔者根据闸阀的特点，采用k-ε二方程湍流模型，选用ANSYS软件的流体动力学分析类型进行分析，借助专用于分析二、三维流体流动场的先进工具———ANSYS软件的FLOTRANCFD工具分析计算了闸阀的内部流场特性。
    2 计算结果及闸阀阻力系数的计算
    当水温为20℃时，其密度为998.2kg/m3，粘度为100.5μPa·s。当闸阀内径为DN50mm，开度分别为10%、20%、25%、35%、45%、50%、60%、75%、100%，进口速度分别为1、2、3、4、5m/s时，模拟计算出闸阀内部的节点压力场分布（图2）。

图2 闸阀内部的节点压力场分布

    根据流体力学理论可知，阀门的阻力特性定义为：

    
    式中  Δp———阀门前后的压差，Pa；
    ξ ———阀门的阻力系数；
    u———横截面处的平均流速，m/s；
    ρ———流体的密度，kg/m3。
    从图2中可以清楚地读出最低静压值，算出最低静压值与进口压强差，进而算出闸阀的阻力系数。
    当进口表面压强为2kPa，进口速度一定时，作闸阀阻力系数随开度的变化曲线（图3）。从图3可以看出，当进口速度一定时，随着闸阀开度的不断增大，其阻力系数减少。当闸阀开度一定时，随着进口速度的不断增大，其阻力系数减少。

图3 进口速度一定时闸阀阻力系数随开度的变化

    对不同管径（DN25、DN100、DN200）的闸阀分别进行了模拟，并与DN50的闸阀模拟结果进行了对比分析。当进口速度为3m/s，进口表面压强为2kPa，闸阀内径一定时，作闸阀阻力系数随开度的变化曲线（图4）。从图4可以看出，当闸阀内径一定时，随着闸阀开度的增加，闸阀阻力系数减少。当闸阀开度一定时，随着闸阀内径的增大，闸阀阻力系数也是增大。

图4 内径一定时闸阀阻力系数随开度的变化曲线

    3 结束语
    应用有限元体积法和ANSYS软件对闸阀的内部流场特性进行了分析，由分析可知，闸阀的阻力系数不仅与开度、进口速度有关，还与闸阀管径有关；不同管径的闸阀，在同一开度、进口速度下的阻力系数不同。同时，利用ANSYS软件进行阀门内流场的分析方法基本可靠。