流阻特性范文

流阻特性范文（精选5篇）

流阻特性 第1篇

换热器是广泛应用于化工、石油化工、动力、医药、冶金、制冷、食品、轻工等行业的一种通用设备。在热力系统中,换热设备的投资在企业总投资中占有较大比重,换热设备性能的好坏直接影响了过程工业热经济性的高低。随着我国工业的不断发展,对能源利用、开发和节约的要求不断提高,对换热器的要求也日益增加[1,2,3,4]。近年来国内外重点加强了设计制造方法学的研究,提出通过“数值试验”计算流体力学(CFD)模拟计算,来评价、选择和优化设计方案,从而大幅度地减少实验室和实体试验研究工作量,而且获得的结果直观、快捷。CFD(Computational Fluid Dynamics)即计算流体动力学,简称CFD,是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术,板翅式换热器设计是CFD技术应用的重要领域之一[5,6,7]。

1 建立模型

板翅式换热器的传热与流动阻力性能主要决定于翅片的表面特性,因此翅片的表面特性数据是准确设计板翅式换热器的基础。具有相变换热的混合工质低温热交换器,较之一般情况下的热交换器,工作过程比较复杂,热物性不仅变化剧烈,而且很难准确确定,沸腾和凝结的实验工作实现起来也比较困难,从这一点来说,数值模拟就具有较大的优势。本文对液化天然气中的一种换热器进行数值模拟研究。天然气混合工质物性计算,本文采用由SRK方程计算得出的混合工质物性参数,将混合工质分段物性数据拟合曲线,并输入FLUENT软件的材料物性数据文件中,作为数值模拟物性参数数据。

该换热器的尺寸为:140 mm200 mm2500 mm。16通道,有打孔型、锯齿型两种翅片;A、B、C、D四种流体,气液两相。四种流体如表1所示,是由混合工质(C1～C5,N2,O2)组成的气液两相混合物。对换热器整体进行分段数值模拟。对每一个翅片周期、长度为12 mm(即长度方向上4个周期单元)的翅片,建立换热器流固耦合模型,进行模拟计算。其中,网格划分采用四面体非结构网格,网格单元数401207。

3 边界条件与计算求解

边界条件:压力进口,压力出口;侧面为对称边界,盖板外部面为恒温边界,流固接触面为壁面边界的耦合类型。换热器入口与出口条件如表2所示,各段具体边界条件根据MUSE计算结果给定。在求解过程中,当连续性方程、动量方程和能量方程中变量的残差均不发生变化时,认为计算收敛。

2.1 计算结果分析与验证

A流体通道温度、压力分布如图2、图3。A流体通道传热系数、压力梯度如图4、图5。在130 K

B流体通道温度、压力分布如图6、图7。B流体通道传热系数、压力梯度如图8、图9。在130 K

C流体通道温度、压力分布如图10、图11。C流体通道传热系数、压力梯度如图12、图13。

C流体为气液两相流体。从C 流体通道传热系数数值模拟结果可以看出,传热系数随温度增加而降低;压力梯度随温度升高先增加,在温度为160K左右开始降低。

D流体通道温度、压力分布如图14、图15。D流体通道传热系数、压力梯度如图16、图17。

D流体为气相。从D 流体通道传热系数数值模拟结果可以看出,传热系数与压力梯度均随温度增加而增大。

3 数值计算结果验证与误差分析

3.1 数值计算结果验证

在本文进行的混合工质天然气液化装置中换热器稳态数值模拟研究,由于时间有限,没有进行实验工作,可以通过做实验验证其数值模拟结果是否正确。软件MUSE是目前国际上较通用的换热器设计仿真软件,现将数值模拟结果与MUSE软件计算数据进行比较。

A流体通道换热系数和压力梯度数值模拟结果与MUSE软件数据比较如图18、图19所示:在液相区(130 K

B流体通道换热系数和压力梯度数值模拟结果与MUSE软件数据比较如图20、图21所示:在气液两相区(130 K

C流体为气液两相。C流体通道换热系数和压力梯度数值模拟结果与MUSE软件仿真结果比较如图22、图23所示:传热系数数值模拟结果小于MUSE软件传热系数数据。压力梯度数值模拟结果小于MUSE软件压力梯度数据。

D流体为气相。D流体通道换热系数和压力梯度数值模拟结果与MUSE软件仿真结果比较如图24、图25所示:传热系数数值模拟结果与MUSE软件传热系数数据符合较好,平均偏差7%。压力梯度数值模拟结果与MUSE软件压力梯度数据符合较好,平均偏差12%。

3.2 数值计算结果误差分析

A、B、C、D四种流体通道传热系数、压力梯度数值模拟结果与MUSE软件数据之间存在一定偏差,其主要原因可以归结为如下几个方面:

(1)混合工质单相区物性直接采用SRK方程计算,其计算结果与实际物性存在一定偏差。

(2)混合工质两相区物性采用由SRK方程计算得出的气相与液相物性的平均值,与实际两相混合物物性存在一定偏差。

(3)数值计算模型没有考虑翅片、隔板的粗糙度,使传热系数、压力梯度数值计算值偏小。

(4)翅片与隔板是钎接在一起的,钎接工艺产生的换热器芯体结构与数值计算的简化模型有一定差异,会使数值计算结果产生一定偏差。

(5)MUSE软件数据是根据经验公式给出,并结合一定工程经验加以修正,因此MUSE软件数据与实际值也存在一定偏差。

4 结论

本文对混合工质天然气液化装置中换热器采用分段方式进行稳态数值模拟研究,得到沿长度方向一定温度下传热系数、压力梯度的变化曲线,并通过与MUSE软件计算数据进行了比对,计算结果有一定合理性,表明计算流体力学在换热器表面传热与流阻特性数值模拟的使用中是行之有效的方法,所得结论可为有相变换热的混合工质低温板翅式换热器的设计和优化提供一定参考。

参考文献

[1]付道明,孙军,贺志刚,喻西崇.天然气预处理和液化工艺技术的研究进展.石油与天然气化工.2004,3(4):240-244.

[2]D.F.Gongaware,M.A.Barclay,J.A.Barclay etc.Con-version of a Waste Gas to Liquid Natural Gas.J.Waynert et al.Transactions of the Cryogenic Engineering Conference-CEC,Anchorage,Alaska,2003.American Institute of Physics.2004:83-90.

[3]钱颂文.换热器设计手册[M].北京:化学工业出版社,2002.

[4]王松汉.板翅式换热器[M].北京:化学工业出版社,1984,40-60.

[5]王福军.计算流体动力学分析——CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社.2004,7-23.

[6]B.Zandi,J.Lewis,H.Lewis,M.Severson.Simplifiedmodeling of complex compact heat exchanger systems.Instituteof Electrical and Electronics Engineers Inc.Piscataway,UnitedStates.2004,528-531.

流阻特性 第2篇

所谓参数化设计就是将模型中的参数约束信息化、变量化,使之成为可以调整的参数变量,给参数变量赋予不同数值,就可以得到大小和形状不同的零件模型。这种设计方法效率高、实现简单、程序量小、可移植性强,对形状或功能相似的产品设计具有重要意义[1]。利用Visual Basic(VB)对SolidWorks进行二次开发便是实现三维参数化设计常用的手段之一[2,3]。

随着SRAC公司对CosMOSWorks, CosMOSMotion和CosMOSFLoWorks的无缝嵌入,SolidWorks能够直接进行有限元运动、动力学仿真以及流体动力学和热传导分析[4]。本研究通过SolidWorks和VB进行参数化建模,结合SolidWorks流体插件CosMOSFloWorks进行有限元分析,得出螺旋管曲率、螺距、入口速度、圈数、管径对摩擦损失系数的影响[5]。对于缩短零件研发周期,提高设计效率和质量,以及研究管道能量损失的优化与设计具有重要意义。

1 螺旋管参数化设计流程

本研究采用尺寸驱动法编程,即给每个设计变量赋以相应的名称,通过VBA窗口修改这些变量的值,就可以得到所需的三维模型,这种算法的流程图如图1所示。这种方法常用来处理形状结构相似但尺寸不同的零件,其运行速度快、效率高,但对编程有严格的要求,必须生成与零件实际参数相应的设计变量。

2 螺旋管参数化建模

在SolidWorks下对螺旋管进行参数化建模,可以通过SolidWorks的“宏”(VBA)功能结合VB 6.0的基本控件编程来实现。在利用VB进行SolidWorks参数化设计[6]的过程中,关键是参数的定义、参数的取值、实体的生成与编辑。由于基于尺寸驱动的参数化图形设计,一般是外形轮廓相对固定而只在尺寸上有数值差异的系列图形,所以对这些零部件图形处理只是定义各外形轮廓尺寸变量参数。本研究在定义过程中,对参数化的命名本着简化、形象、完整的基本原则,当然也没有多余的尺寸构成过约束,没有遗漏的尺寸构成欠约束,因为过约束和欠约束的情况均不能实现图形的参数化设计[7,8]。

螺旋管参数化建模的过程如下:

(1) 打开SolidWorks 2007(PE版),调出宏命令,点击编辑按钮。

(2) 进入到VB 6.0界面,进行螺旋管参数化编程,同时进入用户窗口添加各种控件(如图2所示),为使窗体不遮挡SolidWorks建模过程,将其“StartUpposition”属性1(窗口缺省)改为0(这是通过手动来完成的)。

(3) 在Private Sub UserForm_Click( )和End Sub之间添加主程序,并且用相应的字母来代替,例如用变量PD代替螺旋管曲率半径,用变量DI代替螺旋管管径,用变量PH代替螺旋管螺距,用变量RE代替螺旋管圈数。

(4) 运行、调整、修改程序直至达到满意为止[9,10]。

3 用户访问界面的设计

依据实际需要和上述所定的变量参数,定义用户界面,如图2所示。利用SolidWorks 和VB 6.0参数化设计生成螺旋管,其螺旋管的参数变量如表1所示,生成的相应三维模型如图3所示。

4 有限元分析的数值方法和螺旋管物理模型

4.1 数值方法

CosMOSFloWorks是一个完全集成在SolidWorks中的流体插件,在SolidWorks的环境中就可以验证并优化自己的设计。CosMOSFloWorks采用自适应直角网格,控制方程为Navier-Stokes方程[11],湍流模型采用标准k-ε双方程模型,在近壁区采用壁面函数的半经验公式,并且可通过提高网格精度来提高计算精度。CosMOSFloWorks采用的是快速有限元(FFE,Fast Finite Element)技术使得工程分析时间大大缩短,其图形化的操作界面可以实现网格单元的直观划分和边界载荷条件直接定义,最新的测试还表明,快速有限元法可以提升传统算法分析速度至50~100倍。

4.2 螺旋管物理模型

笔者研究的物理问题是螺旋管的摩擦损失系数f也即摩擦因子,所采用的螺旋管管径为5 mm,螺距为10 mm~50 mm,曲率半径为10 mm~50 mm,入口处流体速度为0.1 m/s~0.5 m/s,螺旋管圈数为10~50圈,流体为不可压流体,密度为999.8 kg/m3,孔道壁面为无泄漏的固壁,一共对55个模型进行数值仿真,经模拟后直接得到的结果为进出口压力差,摩擦损失系数的计算公式为[12]:

$f=\frac{\text{Δ}p}{\left(\frac{L}{D}\right)\left(\frac{\rho \nu {}^2}{2}\right)}(1)$

式中 f摩擦损失系数;ΔP进出口压力损失,单位为Pa;L螺旋管中心线长度,单位为mm;D管径,单位为mm;ρ流体的密度,单位kg/m3;v入口处流体速度,单位m/s。

5 仿真及结果分析

5.1 曲率、螺距对摩擦损失系数的影响

通过SolidWorks 的流体插件CosMOSFLoWorks对螺旋管进行有限元分析,目的是为了研究螺旋管曲率、螺距与摩擦损失系数之间的关系,其初始条件如下:入口处流体速度为0.2 m/s,管径为5 mm,圈数为20圈,曲率半径分别为10 mm,20 mm,30 mm,40 mm,50 mm,螺距分别为10 mm,20 mm,30 mm,40 mm,50 mm。最后直接得到的结果为总压力损失,然后利用式(1)进行换算,其结果如表2所示。曲率、螺距与磨擦损失系数之间的关系如图4所示,根据图4可得到如下结论:在管径、入口处流体速度、圈数、曲率半径一定的情况下,摩擦损失系数随螺旋管螺距的增大而减小;在管径、入口处流体速度、圈数、螺距一定的情况下,摩擦损失系数随曲率半径的增大而减小。本研究摩擦损失系数与参数间不是比例关系。

5.2入口处流体速度、螺旋管圈数对摩擦损失系数的影响

本次分析依然是通过SolidWorks 的流体插件CosMOSFLoWorks来完成,目的是为了研究入口处流体速度、螺旋管圈数与摩擦损失系数之间的关系。其初始条件如下:管径为5 mm,曲率半径为20 mm,螺距为20 mm,入口处流体速度分别为0.1 mm,0.2 mm,0.3 mm,0.4 mm,0.5 mm,螺旋管圈数分别为10圈,2圈,30圈,40圈,50圈。根据仿真的总压力损失与式(1)进行换算的结果如表3所示。如图5所示,根据图5可以得到如下结论:在管径、曲率半径、螺距、入口处流体速度一定的情况下,摩擦损失系数随螺旋管圈数的增大而减小;在管径、曲率半径、螺距、螺旋管圈数一定的情况下,摩擦损失系数随入口处流体速度的增大而减小。

5.3 曲率半径、螺旋管管径对摩擦损失系数的影响

下面分析在曲率半径与螺旋管管径的比值一定的情况下,曲率半径、螺旋管管径与摩擦损失系数之间的关系。其初始条件如下:入口处流体速度分别为0.2 mm,螺距为30 mm,圈数为10圈,曲率半径与管径的比值为2,曲率半径分别为10 mm,20 mm,30 mm,40 mm,50 mm,管径分别为5 mm,10 mm,15 mm,20 mm,25 mm[13,14]。

根据仿真的总压力损失与式(1)进行换算可得到各损失系数之间的关系如表4所示。根据表4可以得到如下结论:在入口处流体速度、螺距、圈数、曲率半径与管径的比值为2的情况下,摩擦损失系数随曲率半径与管径同时增大而减小。

6 结束语

(1) 本研究利用VB 6.0对SolidWorks 2007进行了二次开发,实现了设计变量与编程语言相结合的螺旋管参数化设计,其自动化程度更高,能够更加方便快捷地设计出一系列结构相似的零件参数化模型,简化了螺旋管设计过程,加速仿真分析的前处理进程,提高了设计与仿真分析的效率。

(2) 根据仿真结果可知,螺旋管器件的摩擦损失系数随曲率半径的增大而减小,随螺距、入口处流体速度、圈数的增大而减小。在曲率半径与管径比值一定

的情况下,摩擦损失系数随曲率半径与管径同时增大而减小。

(3) 本研究采用的VB与SolidWorks相结合的参数化设计流程及具体操作方法能够简化设计过程,提高工作效率,对形状或功能相似的零部件的设计具有一定的参考价值。

浅谈阀门流量流阻系数试验装置设计 第3篇

关键词：阀门流量,流阻系数,试验装置设计

阀门流量流阻系数试验装置设计, 在计量收费的供水系统中占有非常重要的地位。因此, 如何正确的进行流量调节阀的选型与设计, 就显得特别关键。本文从流量调节阀的构造及工作原理着手, 提出在调节阀的选型与设计中应留意的问题。在温控阀的选型设计中, 在选出与管道同口径的温控阀的同时, 还要给选定的温控阀造成一个理想的工作条件, 以适用计算机监控系统中进行流量调节的设备。本文重点分析, 如何利用流量流阻系数的特性曲线分析阀门的调节性能, 如何解决阀门在小开度情况下减少水汽现象等问题, 对阀门流量流阻系数试验装置设计进行了深层次的阐述。

1 阀门流量流阻系数测试装置原理及设计探讨

阀门流阻系数可以衡量动力设备的主要功率消耗, 可以衡量阀门的流通能力。因此, 阀门流量流阻系数测试对阀门产品的改进, 减少流体工程系统设计动力消耗, 具有十分重要的意义。

1.1 阀门流量流阻系数试验装置工作原理

阀门流量流阻测试装置是一套阀门流量系数、流阻系数和试验的计算机自动测试系统。该装置适用于水流通过阀门达到稳流时, 测定通用阀门常压下的流量系数和流阻系数, 调节常压下的流量系数、额定流量系数、固有流量特性进行调压试验、流量试验、流量特性试验和压力特性试验。试验时模拟水流动状态, 可测不同进口压力及不同流量下的流量特性和压力特性。

装置设计结构测试系统主要由循环水池、动力系统、稳压装置、测试管路、数据采集系统和自动控制系统等组成。循环水池提供试验介质, 动力系统为多泵并联, 为试验提供介质循环, 满足试验要求的流量和压差。稳压装置为试验测试获得稳定的流场数据, 系统采用充气稳压容器法和变频泵将低频脉动法, 消除流场不稳定现象。

1.2 阀门流量流阻系数试验装置数据采集和自动控制

试验装置通过控制台集中进行数据采集和自动控制, 流量调节远程控制, 设备均通过控制系统的触摸屏进行操作。各测试数据通过多通道数据采集器集中采集, 各种数据可传输到计算机软件中, 并进行数据处理形成数据表和绘制曲线。

阀门流量流阻系数试验装置数据采集和自动控制, 系统实行计流量收费可以节约能源, 进步供水系统的能效。测试管路通过不同的变径满足不同阀门的压力和流量测试, 数据采集系统由电磁流量计、压力变送器, 差压变送器、温度变送器、数据采集器、计算机、数据处理软件等组成, 显示和分析测试过程中的数据和信息。自动控制系统由水泵动力柜和流量试验控制柜等组成, 接收操作指令完成测试流程。

2 阀门流量流阻系数试验装置设计科学化设施方案

阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标, 流量系数值越大说明流体经过阀门时的压力损失越小。阀门的流阻系数可以衡量流体通过阀门后主要功率消耗, 而阀门的流量系数、流阻系数取决于阀门的尺寸、形式、结构。因此, 阀门流量流阻系数测试对阀门产品改进, 为流体系统合理设计降低动力消耗, 能提科学化的可靠数据。

2.1 阀门的流量系数手动装置平衡阀的选型与设计

阀门特性曲线决定了阀门的调节性能, 这样的阀门是可以作为水利工况平衡调节使用的。由于, 阀门理论特性曲线是在顶压差下测定的, 而实际情况只要阀权度不为阀门在小开度线中的压力数值, 阀门特性曲线就可以正常反应水压情况。阀门前后压差大, 大开度阀前开启后导致阀值变大, 在大开度数值变小时, 使阀门实际工作曲线向快开方向偏移, 阀权度越小其偏移越大, 对于直线特性的阀门由于实际性能的偏移会导致阀门的有效调节的得开度空间变小。因此, 在阀权度为正常水力时实际工作曲线可能接近直线特性, 阀门的理论性曲线以下弦弧如等百分比特性为好。

通常阀门在小开度情况下阀门的流速过高, 在阀后会形成旺盛紊流的涡旋区, 涡旋区和新压力很低, 该处压力低于水温对应的饱和压力时水蒸气的闪发挥导致汽水击现象。严重的噪音引起阀门及管道的振动和阀门、管道、管支架的破坏。防治这种事故的发生, 首先, 在阀们流道设计上考虑阀塞和阀座在小开度时形成狭长的节流通道, 约束旺盛紊流涡旋的形成。其次, 选用阀门时尽量加大阀权度, 以避免阀门在小开度下运行。另外, 在不牵涉压力工况题目时尽量碱平衡阀安装在水温较低的回水管道上。

2.2 设置阀门流量流阻系数散热器温控阀

系统阀门根据流量测试的要求, 在每个主测试管路前后分别选用相应规格的手动, 以方便测试管路的选择。为方便流量控制和调节, 测试管路选用电动调节阀和测试管路选用电动偏心蝶阀, 水泵进出口管路以及试验管路还需设置必要的开关阀门和保护性阀门, 用户室内的温度控制是通过散热器恒温控制阀来实现的。

散热器恒温控制阀是由恒温控制器、流量调节阀以及一对连接件组成, 其中恒温控制器的核心部件是传感器单元, 即温包。温包可以感应四周环境温度的变化而产生体积变化, 带动调节阀阀芯产生位移, 进而调节散热器的水量来改变散热器的散热量。恒温阀设定温度可以人为调节, 恒温阀会按设定要求自动控制和调节散热器的水量, 从而来达到控制室内温度的目的。

温控阀一般是装在散热器前, 通过自动调节流量, 实现居民需要的室温。温控阀有二通温控阀和三通温控阀之分。三通温控阀主要用于带有跨越管的单管系统, 其分流系数可以在一定的范围内变动, 流量调节余地大, 结构较复杂。通温控阀有的用于双管系统, 有的用于单管系统。用于双管系统的通温控阀阻力较大, 用于单管系统的阻力较小。温控阀的感温包与阀体一般组装成一个整体, 感温包本身即是现场室内温度传感器。假如需要, 可以采用远程温度传感器, 远程温度传感器置于要求控温的房间, 阀体置于供热系统上的某一部位。温控阀是供热系统流量调节的最主要的调节设备, 其他调节阀都是辅助设备。因此, 温控阀是必备的。一个供热系统假如不设置温控阀就不能称之谓热计量收费系统, 在温控阀的设计中正确选型十分重要。

3 结语

阀门流量流阻测试装置测量范围广, 适用于通用阀门、调节阀和减压阀的流量系数、流阻系数和流量特性测试。装置采用变频与稳压容器结合的供水技术, 占地少, 稳压效果好, 压头较高且可以改变。采用高精度传感器和先进的数据采集器, 能同时完成流量、压差、温度等数据的采集, 提高了测试精度和自动化程度。设备控制和调节均通过控制柜上的触摸屏和调节表实现, 测试软件功能强大操作简便, 提高了阀门流量流阻测试效率和自动化水平。

参考文献

[1]杨源泉.阀门设计手册[M].北京:机械工业出版社, 1992.

[2]涂光备.供热计量技术[M].北京:中国建筑产业出版社, 2003.

流阻特性 第4篇

笔者以水处理工业管网中的闸阀为例, 以往在水处理业中最常使用的是闸阀。闸阀由阀体、阀盖和闸板阀杆等组成。一般来说直径10cm的闸阀质量超过30kg;15cm的闸阀超过60kg。由于体积大, 结构不呈流线型展开, 因此流阻相对比较大, 而对夹式螺形阀门作为一种新型阀门, 结构对称、蝶板呈流线型展开。这样就能保证阀门可以任意调节位置从而尽可能减少流阻。因此, 对于减少生产成本提高经济效益有很大作用。准确测定并且减少阀门的流体阻力系数是当前阀门行业实现节能的重要问题。

1 降低流阻带来的经济效益

前面我们已经提到, 当前工业生产管网中设置有大量的阀门装置, 其中关键阀门的流阻系数大小对于节能有很大影响。

目前, 阀门的高流阻系数会已经给我国工业部门的生产带来巨大经济损失。可喜的是目前我国在节能型新阀门即蝶式止回阀的生产上已取得很大成就, 其中D9700液控蝶式止回阀已经被广泛用于城市自来水的供水系统中, 与同规格的止回阀相比, D9700液控蝶式止回阀每处理水20万t能节电500多度, 一年就可因为阻力系数降低可而节能14万度, 进而可知, 降低流阻系数对于阀门节能至关重要。

2 当前国内的阀门流阻研究进展

目前, 在国内对阀门阻力测试的研究工还没有大规模展开, 只有部分单位就单一阀门产品进行一些研究工作。不过随着政府的重视程度不断提高, 国家科研机构已建立了专业的流阻试验装置, 可测试各种规格的闸阀、球阀、蝶阀等直流式阀门的阻力系数值。并专门采用计算机设备处理数据, 数据精度高且稳定性好, 为阀门行业产品的生产和研究提供了可靠地测试数据。

3 降低阀门流阻的主要方法

3.1 加强研究力度, 加快产品更新换代

目前各工业生产网使用的闸阀和截止阀都年代比较久远, 应该进一步加强研究力度, 促进产品更新换代。特别是对于闸阀来说, 提高缩口比是重点, 缩口比越小, 阻力系数越大, 耗能也越多。而目前我国的部分发电厂5万、10万机组锅炉的配套阀闸缩口比都比较小, 因此压力损失很大, 严重影响这些电厂的经济效益。如果能把Dg225主蒸汽阀闸的缩口比能提高到0.85, 在同样的负荷下, 其所口流速能下降到92m/s, 不仅压力损失减少很多, 还能减轻阀门的磨损。

3.2 进一步提高工艺水平

除了缩口比之外, 阀门流道的质量也直接影响着阻力损失值的大小。在同等条件下, 即便阀门外表水准一样, 流道内壁表面越光滑, 内壁粗糙度越低越有利于减少流量阻值。因此在阀门设计时应该尽可能减少因为流量变化而设计尖角、转角工艺尺寸, 可采用圆角进行过渡。一般来说当管道壁的光洁度提高到V3, 其流量阻值是未进行光滑加工时的50%。可见管壁光滑工艺推广也十分重要。

3.3 尽量推广使用流阻值较小的阀门

一般的工业管网中阀闸和截止阀占到阀门总数的80%~90%。其中又以截止阀的阻力系数最大, 而相较而言阻力值较小的球阀和蝶阀使用的较小。因此, 有必要大力推广球阀和蝶阀等阻力值较小的适用范围, 并进一步进行这两种阀门的新产品研发。

3.4 选择合适的阀门

各工业生产部门需使用的阀门种类各不相同, 因此根据工业参数选择使用便利, 流阻值小、适合自身生产需要的阀门是十分重要的。

通常按照阀门用途可以将阀门分为两类:一类是截断阀门, 如闸阀、截止阀、旋塞和球阀等。这种阀门有其固有特性, 那就是当阀门达到一定的开度, 阻力系数值也会随开度变化, 但总体来说影响不大;而当只是少量开启时则恰恰相反, 即便阀门开度变化很小, 阻力系数产生的压力损失也会成倍增加, 而且由于截断阀门无法自动调节开度大小, 因此不能选用来进行流量的调节。另一种是具有调节功能的阀门, 如调节阀、减流阀等, 采用蝶阀来调节流量最为有效。

4 结论

综上所述, 影响阀门阻值大小的原因很多, 工厂只有确定好流量阻值, 选择适合本部门的低阻值的阀门才能进一步提高企业生产效益, 促进企业发展。

摘要：本文主要探究降低流阻系数对阀门节能的作用。目前的工业生产尤其是水处理行业中管道阀门的流阻系数产生的动力损失十分巨大, 因此降低流阻不仅减少能耗, 还能提高行业的经济效益, 具体方法包括进一步提高工艺、选用适合生产的阀门等, 对于减少阻值, 提高效益作用很大。

关键词：工业生产,流阻系数,阀门节能

参考文献

[1]王剑.阀门流量流阻测试装置[J].阀门, 2008 (2) .

[2]晏宇.船用消防阀流阻系数模拟测定方法的探讨[J].阀门, 2009 (5) .

蒸汽发生器一次侧流阻数值模拟研究 第5篇

蒸汽发生器是压水堆核电站的关键设备, 是核电厂一、二次侧的重要枢纽。在压水堆核电厂中蒸汽发生器一次侧阻力约占反应堆冷却剂系统总流动阻力的40%左右[1], 因此, 准确的计算蒸汽发生器一次侧阻力对反应堆冷却剂系统的水力计算和系统布置具有重要意义。

在蒸汽发生器的工程设计中, 通常采用专用热工水力程序进行蒸汽发生器的水力计算, 如岭澳核电站55/19型蒸汽发生器采用GVSPA程序进行蒸汽发生器一次侧流阻计算, 秦山二期核电站60F蒸汽发生器采用GENF程序进行一次侧流阻计算。在上述专用程序中, 流动阻力采用经验公式计算, 利用经验公式手册查得对应结构的流动阻力关系式, 通过简化完成压降计算。这种计算方法需对应于特定结构, 针对性较强。目前随着CFD技术的成熟, 有学者采用CFD手段开展了蒸汽发生器一次侧流动特性研究[2]。

本文针对AP1000核电站蒸汽发生器的结构特点, 采用经验公式方法和CFD方法对蒸汽发生器一次侧流阻进行了计算, 并对两种方法的计算结果进行了分析和讨论。

1 经验公式法计算

针对AP1000蒸汽发生器的结构特点, 蒸汽发生器一次侧流动阻力可分为5个部分进行计算, 如图1所示。其中包括一次侧入口接管突扩局部阻力K1、一次侧出口接管突缩局部阻力K5、传热管入口突缩局部阻力K2、传热管出口突扩局部阻力K4和传热管阻力K3。

其中K1、K2、K4、K5属于局部阻力, K3由传热管的沿程阻力和传热管弯头导致的局部阻力构成。

对于蒸汽发生器一次侧局部阻力可按公式 (1) 进行计算:

式中, K为局部阻力系数, 该值主要取决于流道的结构形式。

对于蒸汽发生器传热管沿程阻力, 可按公式 (2) 进行计算:

式中, f为摩擦阻力系数, H为传热管长度, du为传热管内径, ρ为一次侧水的平均密度, v为一次侧水在传热管内的平均流速。

蒸汽发生器中, 局部阻力K1和K4可认为属于流道突扩局部阻力, 局部阻力系数可根据公式 (3) 进行计算[3]:

式中, A0为较小通道截面积, A1为较大通道截面积。

蒸汽发生器中, 局部阻力K2和K5可认为属于流道突缩局部阻力, 局部阻力系数可根据公式 (4) 进行计算[3]:

式中, A0为较小通道截面积, A2为较大通道截面积。

对于U型管弯头局部阻力系数可根据阿勃拉莫维奇公式 (5) [3]确定:

式中:

A为考虑弯管转角θ影响的系数;

B为考虑弯管相对弯曲半径R/du影响的系数, 其中R为弯曲半径, du为管子外径;

C为考虑弯管相对高宽比影响的系数。

A值按捏克拉索夫数据计算:

B值可按公式 (7) 计算:

由于传热管横截面为圆形, 高宽比等于1, 故C=1。

对于摩擦阻力系数, 在工程上存在不同的经验公式, 主要有下几种经验公式[3,4,5]:

蒸汽发生器流阻计算相关参数可由蒸汽发生器稳态热工水力计算获得。

采用经验公式计算时, 选用不同的摩擦阻力系数计算公式, 摩擦阻力系数略有差别, 但最大差值为3.1%, 在工程计算误差可接受范围内。

2 数值模拟计算

2.1 几何模型

由于蒸汽发生器传热管数量众多, 且传热管长度较长, 横向和纵向尺度差别大, 如果对蒸汽发生器一次侧整体进行数值模拟, 则会由于网格数目过于巨大, 难以实现, 因此本文将蒸汽发生器分为进口部分、传热管部分和出口部分, 分别进行模拟, 最后将结果相加获得总压降。

图2为进口部分流体区域, 与进口部分相连接的传热管截取高度为150mm, 内径为15.4mm, 这样高度大约为内径的10倍, 可以保证流体充分发展而不受进口条件的影响。出口部分流体域的确定采用类似方法, 传热管截取高度为150mm。

2.2 网格划分

本文利用Ansys中的ICEM CFD进行网格划分, 对于变径面以及弧面进行了局部网格加密, 对于管束区的网格通过网格拉伸完成, 对和流体流向不垂直的壁面添加了附面层网格。进口部分总网格数为4986万, 出口部分总网格数为2400万。

工程实际中传热管的数量巨大, 难以按照实际情况进行模拟, 传热管沿程压降利用最短一根传热管和最长的一根传热管进行数值模拟, 通过求取二者压降的平均值作为U型传热管的压降损失。最短的U型管的网格总数为274300, 最长的U型管的网格总数为386960。

2.3 边界条件

蒸汽发生器发生器一次侧进口部分水的温度和压力基本相同, 且下封头不存在热交换, 因此可采用绝热模型, 流体区域内水的物性参数根据进口部分水的物性参数确定。进口流速为v=23m/s, 温度T=321℃。

蒸汽发生器发生器一次侧出口部分同样可采用绝热模型, 流体区域内水的物性参数根据出口处水的物性参数确定。

蒸汽发生器传热管需要与二次侧进行热交换, U形换热管数量巨大, 导致换热量较大, 但是单根传热管内冷却剂的温度并没有发生很大改变, 因此传热管内冷却剂的物性参数根据进出口处水的平均温度给定, 根据传热管内平均流速给定入口流速。

2.4 计算模型

本文将蒸汽发生器一次侧分为3部分进行数值模拟, 单独考虑进口部分或出口部分, 流体温差不大, 且为单相液体流, 水的密度近似为常数。因此, 蒸汽发生器一次各部分侧流场可视为三维定常不可压粘性等温流场。湍流模型分别选用k-ε湍流和SST湍流模型。本计算中的压力为相对压力。

2.5 计算结果及分析

2.5.1 局部流动特性

从计算结果发现, 采用k-ε和SST这两种湍流模型对计算结果影响不大, 两种计算模型的总压降差值仅约为3.2%, 属于工程计算误差可接受范围, 下文以k-ε模型的结果为例进行说明。

蒸汽发生器一次侧进口部分总压力分布和速度矢量图如图3和图4所示。由图3的进口总压力分布可以看出下封头的进口接管至传热管的压降较大, 说明进口部分阻力较大。

由图4可以看出进口部分的水流由进口接管流入下封头时速度稍有降低。水流在下封头发生了大约为45°的回流, 再由下封头至传热管时水流速度明显降低。

蒸汽发生器一次侧出口部分总压力分布如图5所示。由图5可以看出传热管至下封头的出口接管的压降不是很大, 说明出口部分阻力很小。

2.5.2 传热管流动特性

因为传热管束长短不一, 由于条件所限, 无法对传热管全部进行模拟, 本文根据传热管内平均流速给定入口流速。分别对最短的和最长的传热管进行了数值模拟, 并将二者的模拟结果取平均值作为传热管的压降。

3 结果分析

3.1 阻力分布

采用经验公式法和CFD方法计算得出的蒸汽发生器一次侧各部分阻力占总流阻的百分比如图6和图7所示。从图中可知, 蒸汽发生器一次侧阻力主要是传热管的沿程阻力, 约占蒸汽发生器一次侧阻力的65% (CFD方法) 和51.1% (经验公式法) , 这是因为传热管长度较长, 导致沿程阻力较大;其次是进口部分的阻力, 占一次侧阻力的31% (CFD方法) 和37.3% (经验公式法) ;出口部分的阻力相对较低, 仅占一次侧阻力的4% (CFD方法) 和9% (经验公式法) 。

蒸汽发生器一次侧进口阻力大于蒸汽发生器一次侧出口阻力, 这是因为蒸汽发生器一次侧进口流速较大, 且突扩结构的局部阻力系数相比突缩结构的局部阻力系数大。

3.2 两种方法阻力计算结果的比较及分析

CFD方法和经验公式法计算的蒸汽发生器一次侧各部分压降对比如图8所示, 其中ΔP1为CFD方法计算压降平均值, ΔP2为经验公式法计算的压降。由图可知, 采用CFD方法计算的传热管压降和采用经验公式计算的传热管压降计算结果非常接近, 差值约为4%。说明本文在传热管流阻数值模拟时, 采用的方法是可靠的。

对于蒸汽发生器进口部分及出口部分的压降, 采用CFD方法的计算结果和采用经验公式法的计算结果相差较大。采用CFD方法计算的进口部分压降为经验公式法计算结果的61%, 采用CFD方法计算的出口部分压降为经验公式法计算结果的29%, 其原因分析如下:

1) 经验公式法中, 计算进口部分和出口部分的阻力系数时, 采用的是突扩和突缩结构的阻力系数计算公式, 该计算公式是基于狭窄管道截面上流体速度均匀分布和湍流的情况下得出的, 该局部阻力系数取决于窄面积与宽面积的比值。蒸汽发生器的进、出口均位于球封头上, 因此并不属于典型的突扩、突缩结构。典型的突扩和突缩结构在流动面积变化处均形成强烈漩涡, 正是这种漩涡存在导致能量耗散从而产生压降。从蒸汽发生器进口和出口部分流场可知, 在进口和出口处未存在强烈旋涡。

2) 对于蒸汽发生器出口部分, 由于存在两个出口, 在经验公式计算中, 采用的是等效截面积方法按突缩结构计算局部阻力系数。这种处理方法导致使用经验公式计算的出口部分压降计算结果与CFD方法计算结果存在较大差别。

总体来说, 采用经验公式计算蒸汽发生器进、出口部分阻力是一种偏保守的方法。对于蒸汽发生器进、出口这种特定结构的局部阻力系数, 目前无特定的经验公式可用, 因此, 可在突扩和突缩结构阻力系数计算公式的基础上进行必要的修正, 以适应蒸汽发生器进口和出口的特定结构。

4 结论

1) 分别采用经验公式法和CFD方法对蒸汽发生器一次侧阻力进行计算, 其中传热管沿程阻力占一次侧阻力的主要部分。

2) 采用CFD方法计算阻力时, 采用不同湍流模型对计算结果影响较小。

3) CFD方法模拟传热管压降与经验公式法计算结果吻合良好。

4) 采用经验公式方法计算进出口阻力与CFD方法计算结果差别较大, 在使用经验公式计算蒸汽发生器进出口阻力时, 应进行必要修正, 修正系数的确定可根据CFD模拟结果并结合实测结果确定。

摘要：采用CFD的方法 , 分别采用k-ε湍流模型和SST湍流模型对蒸汽发生器一次侧流动阻力进行数值模拟, 获得了蒸汽发生器一次侧入口段、U形管段及出口段的压降, 并将CFD计算结果与按经验公式计算结果进行对比分析, 提出了对经验公式修正建议。

关键词：蒸汽发生器,一次侧流动阻力,数值模拟

参考文献

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[2]张勇, 宋晓明, 黄伟.低流量下蒸汽发生器一次侧流量分配研究[J].核动力工程, 2009, 30 (5) :56-64.

[3]华绍曾, 杨学宁, 李世铎.实用流体阻力手册[M].国防工业出版社, 1985.

[4]钱颂文.换热器设计手册[M].化学工业出版社, 2002.