阀门水锤效应数值模拟

   

水锤产生的瞬时压强可达管道中正常工作压强的几十倍甚至于数百倍。这种大幅度压强波动，可导致管道系统产生强烈振动或噪声，并可能破坏阀门接头。因此，对于阀门，防止水锤的办法，包括放慢阀门本身的关闭速度或当闭合元件接近阀座时提供较大程度的拉力和刚性。为防止压力波动，阀门应以均匀变动的速度进行关闭。

本案例采用实云自主流体仿真软件对阀门水锤现象进行仿真，通过模拟特定阀门管道，可视化地展现在该管道中是否存在水锤现象以及产生的冲击力的大小。

   

几何及网格设置

图2 阀门初始位置示意图

在进行网格划分时，对阀门及阀门下游进行局部加密，如图3所示，划分好的网格总数为3.8万。为了较快地获得仿真结果，本算例将网格划分为8块，采用8核进行并行计算。  

图3 笛卡尔网格示意图

 

     

边界条件设置

边界条件如图4所示，左侧为速度进口，右侧为压力出口边界，上下两面设置为Wall，为阀门指定以3.14 rad/s的转速逆时针匀速运动。采用k-ε湍流模型及标准壁面函数，非稳态求解器进行计算，时间步长为0.0001s，总求解时间为5s。

图4 边界条件示意图

 

     

计算结果

对计算结果进行后处理，得到阀门启闭过程中管道内的压力、速度变化情况。

图5、图6分别为阀门最小开度时，管道内的压力、速度云图。

图5 最小开度处，阀门前后压力云图

图6 最小开度处，阀门前后速度云图

图7、图8分别为管道内压力、速度随时间变化情况。

对管道内，阀门上游及阀门开度最小位置处设置监控点，如图9所示，监测阀门内压力、速度的变化情况。

监测点1处的速度变化曲线，如下图所示：

如图10-图11所示，随着阀门的旋转，管道中的通流面积不断变化，并在阀门两个对角线垂直时，达到两次极大值。相应的Point1与Point2处的速度、压力也具有两个极值。