船用消防閥流阻系數模擬測定方法的探討

1、概述

　　安裝在管路上的閥門(mén),當有介質(zhì)流動(dòng)時(shí)要產(chǎn)生局部阻力,克服這種阻力要消耗能量。能量的消耗表現在壓差的速度損失上,因為閥前壓力比閥后壓力高,這就需要確定某些與閥門(mén)流體阻力有關(guān)的數據。如壓力損失(閥前和閥后的壓力差)等等。

　　近年來(lái),隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展,某些發(fā)達國家已經(jīng)在閥門(mén)領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)中運用流體流動(dòng)分析軟件( FFSS———Fluid Flow Simulation Software)進(jìn)行設計方案的測定及其改進(jìn)�，F階段,我國對閥門(mén)流量系數和流阻系數測定的方案主要集中在傳統的實(shí)物安裝測定上,而從水利的角度對其內部流場(chǎng)的研究投入較少,使得對閥門(mén)的流量系數和流阻系數在設計上得不到很好的控制。為了更好的改進(jìn)閥門(mén)的流通性能,減少設計及試驗成本,運用數值模擬的方法分析其內部流場(chǎng)是十分必要的。在真空技術(shù)網(wǎng)發(fā)布的本文運用COSMOSFloWorks流體分析軟件,對船用消防閥在全開(kāi)和半開(kāi)情況下的流場(chǎng)進(jìn)行了數值模擬,及流體在消防閥內的流動(dòng)分析。

2、流程分析

2.1、設定分析項目

　　設消防閥內部流動(dòng)的介質(zhì)為水,依據JB /T 5296-91的有關(guān)規定(水流通過(guò)閥門(mén)達到穩流時(shí)的流量系數) ,選擇流動(dòng)模型為單向流體的不可壓縮粘性流動(dòng),無(wú)氣穴現象,端墻設置為絕熱壁,采用不可壓縮流動(dòng)的雷諾方程組與κ-ε紊流模型構成封閉的分析模型。

2.2、消防閥流道模型及網(wǎng)格劃分

　　以DN65的消防閥(圖1)為例,保證流體的穩定流暢性,取閥前管道長(cháng)度L1=5D(D為管道直徑) ,閥后管道長(cháng)度L2=5D作為分析的封閉區域。網(wǎng)格劃分采用了非結構混合網(wǎng)格技術(shù),利用COS-MOSFloWorks的網(wǎng)格劃分功能對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用自適應的網(wǎng)格技術(shù)對流場(chǎng)進(jìn)行模擬。

2.3、邊界條件

　　消防閥的邊界條件主要有入口邊界條件、出口邊界條件和壁面邊界條件等。

　�、偃肟谶吔鐥l件　選擇流體入口的流體流速為消防閥介質(zhì)的入口流速。

　�、诔隹谶吔鐥l件　選擇流體的出口壓力為消防閥介質(zhì)的出口邊界條件。

　�、郾诿孢吔鐥l件　選取為粘性流動(dòng),采用壁面無(wú)滑移條件。針對粘性底層和過(guò)渡層采用壁面函數法求解。

　　紊流模型采用標準κ-ε模型。規定進(jìn)口邊界條件為velocity-inlet,進(jìn)行閥門(mén)的流體計算時(shí),必須知道管路流速v,此速度可以通過(guò)流量來(lái)確定(G(t/h)或Q(m³/h)) ,或參考表1選取。選定管道進(jìn)口速度V=2m/s,出口邊界條件定為靜態(tài)壓力P =1.01325MPa。

表1　一般采用的管路流速m/s

圖1　消防閥

3、求解結果分析

3.1、基礎理論

　　流阻系數用于表征物體對流體流動(dòng)的阻力大小, 是一個(gè)無(wú)量綱數。隨著(zhù)流速的加大, 流體的流動(dòng)狀態(tài)將經(jīng)歷層流區、層流到紊流的過(guò)渡區、水力光滑區和水力粗糙區等幾個(gè)狀態(tài), 其中前3個(gè)狀態(tài)流阻系數ζ與雷諾數(Re)相關(guān), 是一個(gè)變值。當流體過(guò)渡到水力粗糙區, 也就是阻力平方區后,流阻系數ζ與Re 無(wú)關(guān), 成為一條水平線(xiàn), 壓力損失△P與流速V的平方成比例, 流阻系數只與相對光滑度r0/ε相關(guān)。因此, 在流體工程領(lǐng)域, 流阻系數定義為阻力平方區的常數值, 流阻系數取值的前提條件是流態(tài)進(jìn)入阻力平方區。判斷依據是Re>Rec , (Rec ———邊界雷諾數) 取Rec=2300。圓管定常流動(dòng)的下臨界雷諾數取2300。