Изучение характеристик потока рабочей среды и оценка производительности дисковых затворов с использованием математического анализа

Поворотные дисковые затворы применяются в различных областях промышленности, где транспортируются большие объёмы жидкостей. В особенности их активно используют в водопроводных системах и дренажных водоотводных трубопроводах. По этой причине мы решили провести сравнительный анализ двух разных дисковых затворов и их характеристик с помощью математического моделирования и численного анализа с использованием ANSYS CFD FLUENT (программный комплекс  предназначенный для решения задач вычислительной гидрогазодинамики, численного трехмерного моделирования движения потоков, процессов турбулентности, теплопередачи, горения и химических реакций). В сравнительном исследовании рассматривали результаты анализа коэффициент расхода, коэффициент потерь и распределение давления рабочей среды при прохождении через затвор. Как оказывает влияние конструкция запорного механизма дискового затвора на поток рабочей среды (распределение давления, структура потока, векторы скорости и форма турбулентности потока) при прохождении потоком рабочей среды запорного механизма затвора при разных углах открытия диска.

1. Введение

Дисковый затвор — это тип запорной арматуры устройство которого позволяет управлять потоком, т.е. используется для регулирования потока жидкости через участок трубопровода. Дисковый поворотный затвор по принципу действия аналогичен шаровому крану. Диск расположен в центре трубы, имеет вал, соединенный через него с приводом на внешней стороне клапана. Привод поворачивает диск параллельно или перпендикулярно потоку регулируя его. Независимо от положения угла открытия затвора, диск всегда расположен в рабочей среде, поэтому в потоке всегда присутствует перепад давления. Есть несколько видов дисковых затворов, и каждый адаптирован для различного давления и различного использования. По конструкции дисковые затворы бывают симметричными, и двумя или тремя эксцентриками - смещение запорного диска от седла и центральной оси трубопровода, что увеличивает герметизирующую способность клапана и снижает его износ. Для этих дисковых затворов коэффициент расхода и коэффициент потери давления являются важными характеристиками для понимания общей производительности клапана.

Что бы математически предсказать расход и перепады среды в дисковом затворе построив математическую модель, нужно изучить такие характеристики потока рабочей среды, проходящие через затвор, как: распределение скорости в поле потока и распределение давления при прохождении потоком запирающего диска. В исследовании рассматривались два типа конструкции запирающего механизма затвора, - трехэксцентриковый затвор с одним диском и симметричный затвор с двойным запирающим диском.

Для проверки результата вычислений, полученные численные характеристики потока рабочей среды для каждого угла открытия диска сравнивались с экспериментальными результатами. То есть характеристики потока среды, проходящие диск затвора, такие как: распределение давления, структура потока, векторы скорости и форма турбулентности были исследованы на математической модели и сравнительно проанализированы с данными, полученными экспериментальным путем.

2. Характеристики затвора

Коэффициент расхода клапана и коэффициент потери давления для оценки общей производительности затвора рассчитанные в данной работе методом математического моделирования обычно получают только экспериментальным методом из-за перепада давления между входом и выходом затвора.

2.1 Коэффициент расхода затвора

Коэффициент расхода зависит от типа затвора, проходного диаметра затвора, скорости открытия диска и рабочего режима жидкости. Он является очень важной характеристикой для исследования работы затвора и определяется перепадом давления между входом и выходом. В случае указанного дифференциала давление (△ P = 0,07 кг / кв. см) при температуре воды 5 ~ 40 ℃, коэффициент расхода клапана определяется как уравнение (1) 

2.2 Коэффициент потери напора в затворе

Жидкость в системе трубопроводов проходит через различные клапаны, изгибы, колена, входы, выходы, расширения и сокращения в трубах. Эти компоненты препятствуют потоку жидкости и вызывают дополнительные потери напора из-за разделения и перемешивания потоков. Частично закрытый затвор может вызвать наибольшую потерю напора в системе. По падению скорости потока, - процесс прохода потока жидкости через затворы очень сложен, и теоретический анализ, как правило, нецелесообразен. Поэтому эти потери, называемые коэффициентом потерь затвора, определяются экспериментально и выражаются как другое представление связи между перепадом давления, плотностью жидкости и средней скоростью жидкости после прохождения затвора уравнения (2).

3. Экспериментальный метод.

Экспериментальный прибор для измерения скорости потока был составлен по IEC60534-2-3 (1997), в котором использовался резервуар для воды, дисковые поворотные затворы на входе и выходе, термометр, электромагнитный расходомер, трубы диаметром 400 мм для испытательной секции, включая испытательные затворы (однодискового затвора с тройным эксцентриситетом или двухдискового симметричного дискового затвора), а отводы давления были расположены в 2D (расстояние в два диаметра трубопровода) и 6D (расстояние в шесть диаметров трубопровода)  от каждого испытательного затвора в качестве расчетной области для численного исследования на рис. 1. А затем экспериментально измеряли расход на 10%, 20%, 30%, 40%,50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100% открытия запорного диска затвора для каждого типа. При фиксированном перепаде давления (△ P = 0,07 кг / кв. см) между входом и выходом и эти экспериментальные данные сравнивались с математическими результатами для проверки точности теоретических вычислений.

4. Численный метод.

Вычислительный расчет и анализ с использованием численного метода позволили исследовать течение потока в дисковых затворах, применяемых в водопроводе и канализации. Однодисковый двухдисковый тип затвора, корпус и запирающий диск были смоделированы в трехмерном виде. Расчетная область была создана согласно IEC 60534-2-3 (см. Рис. 1.) Трехмерные модели дисковых затворов и частей трубопровода были составлены с помощью препроцессора GAMBIT коммерческого CFD кода FLUENT ANSYS. Что бы повысить вычислительную эффективность, узлы расчетной сетки были сгруппированы в диске клапана. Для каждого расчета было сгенерировано около 500000 неструктурированных сеток, показанных на рисунке 1 и скорректированы в пределах ± 5,000.

4.1 Схема и алгоритм

Численный анализ проводился в предположении, что напор потока в дисковом затворе был постоянным. Рабочая жидкость - вода при стандартном атмосферном давлении и температуре. Схема второго порядка использовалась для описания основных уравнений и применялась SIMPLEC алгоритму пересмотра скорости и давления, стандартная модель κ-ε (к-эпсилон) для турбулентного потока. Эта схема и алгоритм в этом процессе в основном применялся для математического исследования.

4.2 Начальные данные и граничные условия

Граничное условие отсутствия проскальзывания для учета вязкости жидкости и обобщенной функции для определения турбулентности. Интенсивность потока вокруг стенок применялась как твердого тела. Условия на входе и выходе были установлены как перепад давления между входом и выходом. Используя скорость потока из экспериментальных результатов и в приведенных выше условиях коэффициент расхода затвора и коэффициент потерь затвора были рассчитаны численно при 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 100% открытии диска затвора для однодискового и двухдискового поворотного затвора.

5. Результаты.

Результаты численного и экспериментального исследования представлены на рис. 3-4. На рисунке 3 показан коэффициент потока затвора, а на рис. 4 показан коэффициент потери напора в затворе в зависимости от угла открытия диска.

5.1 Сравнение коэффициентов расхода.

Экспериментальные результаты исследования дисковых затворов были использованы для подтверждения результатов, полученных путем математического моделирования. На рис. 3 показан коэффициент расхода дискового затвора относительно максимального коэффициента расхода дискового затвора на каждом типе запорной арматуры. В разных углах открытия диска затвора и сравнение численного и экспериментального результата (Cv (%) = Cv / Cv max). Результаты для двух типов дисковых затворов: однодискового и двухдискового исполнения. Как показано на рисунке 3, разница между численными и экспериментальными значениями менее 6% во всем диапазоне углов открытия клапана, эти результаты показывают, что математический анализ правильно предсказывает фактический расход в дисковом затворе.

 5.2 Сравнение коэффициента потерь давления.

Коэффициенты потери напора в затворе в логарифмической шкале двух типов рассматриваемых дисковых затворов представлены по вертикальной оси, на графике рис. 4 сравнивается значения получение математическим моделированием с экспериментальными результатами. Для двухдискового дискового затвора на рис. 4 (b) разница между расчетными и экспериментальными значениями немного меньше, чем для однодисковых дисковых затворов. Этот результат связан с лучшей герметизирующей способностью двухдискового типа поворотного затвора.

5.3 Движение потока.

Линии движения определяется как фактический путь, пройденный отдельным участком жидкости за некоторый период времени, и это концепция Лагранжа, которая выражает путь отдельной жидкой частицы, когда она движется в поле потока. Поэтому изучая движение потока – это удачный способ понять его закономерности. На рис. 5 показаны линии движения жидкости огибающие диск затвора. При угле открытия диска на 50% для каждого типа. Как показано на рис. 5, развитие потока после прохождения диска образует несколько рециркуляционных завихрений. В дисковом затворе с двойным диском завихрения потока более сложны, чем, затвора с одним диском. Предполагается, что эта разница возникла из-за разделенного проточного канала двухдискового затвора. Рис. 6 показывает линию пути вокруг диска клапана на угле открытия диска в 100% для каждого типа. Наблюдается более плавная траектория линий потока для затвора с двойным диском, чем для затвора с одним диском. Это может быть объяснено тем, что поперечное сечение дроссельной заслонки с двумя дисками, которая соприкасается с частицами жидкости, является меньше, чем в однодисковом затворе.

6. Заключение

Коэффициент расхода затвора и коэффициент давления в соответствии с углом открытия диска были рассчитаны численно, а схема обтекания диска затвора была представлена с помощью математическом модели. Экспериментальные результаты были использованы для подтверждения численных результатов, и мы пришли к выводу, что существует не существенная разница в производительности клапана между однодисковым затвором и двухдисковым типом затвора. Однако двухдисковый затвор показал более сложную схему турбулентности потока, рециркулирующие завихрения в задней части диска затвора по сравнению с однодисковым дисковым затвором. 

Через этот сравнительный анализ мы сделали вывод о возможности применения математических методов анализа и моделирования в расчетах производительности различных типов дисковых затворов. Без применения экспериментального метода.

Оригинал статьи - журнал "IOP Conference Series: Earth and Environmental Science" - статья "Flow characteristics and performance evaluation of butterfly valves using numerical analysis"  Т.341 за 2019 год