截止阀流场的数值模拟.pdf

1截止阀流场的数值模拟

1.1流场模拟的作用

1.1.1流场的两种形式

①层流（或滞流）：流体质点仅沿着与管轴平行的方向作直线运动，质点无
径向脉动，质点之间互不混合。
层流是流体的一种流动状态，流体在管内流动时，其质点沿着与管轴平行的
方向作平滑直线运动。此种流动称为层流或滞流，亦有称为直线流动的。流体的
流速在管中心处最大，其近壁处最小。管内流体的平均流速与最大流速之比等于
0.5，根据雷诺实验，当雷诺准数引Re<2320时，流体的流动状态为层流。粘性
流体的层状运动。在这种流动中，流体微团的轨迹没有明显的不规则脉动。相邻
流体层间只有分子热运动造成的动量交换。常见的层流有毛细管或多孔介质中的
流动、轴承润滑膜中的流动、绕流物体表面边界层中的流动等。
②湍流（或紊流）：流体质点除了沿管轴方向向前流动外，还有径向脉动，
各质点的速度在大小和方向上都随时变化，质点互相碰撞和混合。
湍流是自然界非常普遍的流动类型，湍流出现在速度变动的地方。这种波动
会使流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变化，而且引起了数量的波动。湍
流运动的特征是在运动过程中液体质点具有不断的互相混掺的现象，速度和压力
等物理量在空间和时间上均具有随机性质的脉动值。但对于湍流，如果直接求解
三维瞬态控制方程，需要采用对计算机内存和速度要求很高的直接模拟方法，但
目前还不可能在工程中采用此方法。工程中广为采用的方法是对瞬态N-S方程
作时间平均处理，同时补充反映湍流特性的其他方程，如湍动能方程和湍流耗散
率方程等。
湍流带有旋转流动结构，这就是所谓的湍流涡（turbulenteddies），简称涡。
从物理结构上看，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡叠合而成的流动，这些
涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡主要由流动的边界条件所决
定，它的尺寸可以与流场的大小相比拟，它主要受惯性影响而存在，是引起低频
脉动的原因；小尺度的涡主要是由粘性力所决定的，其尺寸可能只有流场尺度的
千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡破裂后形成小尺度的涡，
较小尺度的涡破裂后形成更小尺度的涡。在充分发展的湍流区域内，流体涡的尺
寸可在相当宽的范围内连续不断变化。大尺度涡不断地从主流获得能量，通过涡
间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡传递。最后由于流体的粘性作用，小尺度
的涡不断消失，机械能就转化（或称耗散）为流体的热能。同时由于边界的作用、
扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动。流体内不

同尺度的涡的随机运动造成了湍流的一个重要特点，物理量的脉动[25]。

1.1.2不同流场形式对截止阀的影响

层流是理想的流动方式，层流对截止阀壁不会有很大的影响。层流时阀道仅
仅受液体静压力。
但是由于在阀道中存在拐角、沟槽，因此在阀道中是湍流。
实验结果和计算结果表明截止阀水流易产生分离流、回流、二次流和涡旋，
这些水流状况是引起水头损失的主要因素。这些不规则的流动会冲击截止阀的流
道，如果长期处于这种状况下，阀壁可能会因冲蚀的原因变薄，厚度过薄可能会
导致泄漏、断裂等失效的发生[26]。
当介质流经截止阀时，会产生漩涡、气穴、和死水区等水流现象，这些现象
严重影响和危害管道的工况，产生振动、噪声和水头损失。目前对阀门流动特性
的研究尚未引起足够的重视，基本上还是依据传统设计方法和经验设计产品，不
注重对阀道中压头损失的研究。本文采用UG模拟截止阀阀道里的流体流动形态，
得出阀体内部流体在稳定流动时的流动形态，为降低水头损失设计和阀道结构优
化提供理论依据[27-28]。
流场模拟的作用表现在：
①能对流体在复杂的阀体内部的流动形态进行研究和实验；
②能设想各种不同方案，观察这些方案对流体的流动形态产生的影响；
③能反映不同方案间的相互关系，说明哪个方案更好，如何影响其他方案和
整个系统；
④能检验阀体模型的假设，改进阀体的结构。

1.2截止阀流场的数值模拟

1.2.1流场数学模型的假设

(1)截止阀阀内工质分别选用水（理论上采用何种物质作为流体都不会影响
到数值模拟的正确性）为研究对象，且该工质为不可压缩连续的理想流体，属于
牛顿湍流流体；
(2)忽略工作过程中系统的扰动和振动的影响，忽略低压区气蚀现象的产生；
(3)因为阀体和阀芯对整个流场的影响很小可忽略，所以假设工质与阀体内
壁、阀芯表面无热传导、无滑移[29]。

1.2.2流场几何模型的建立

流场模型的建立需要运用布尔运算，Boolean（布尔运算）通过对两个以上
的物体进行并集、差集、交集的运算，从而得到新的物体形态。系统提供了4

种布尔运算方式：Union（并集）、Intersection（交集）和Subtraction（差集，包
括A-B和B-A