通海阀内流场的三维数值模拟

江 山 张京伟 吴崇健 许 清 彭文波

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

通海阀内流场的三维数值模拟

江 山 张京伟 吴崇健 许 清 彭文波

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

通海阀是船舶内部管路系统与外界连接的重要装置，主要用于各管路海水注入和排出的控制和调节，其性能的好坏直接影响全船各系统甚至整个船舶的性能。在实际使用中发现，通海阀噪声振动加速度偏高，对船舶声学性能产生影响。因此，以通海阀为研究对象，采用Fluent软件对通海阀在不同的开口度和流量下的内流场进行数值计算，给出通海阀阀腔内的速度场和压力场图。根据该可视化结果分析影响通海阀性能和产生噪声的原因，为通海阀的内流道优化提供理论依据。

通海阀；湍流模型；Fluent软件；流场可视化

1 引言

通海阀是船舶内部管路系统与外界连接的重要装置，主要用于各管路海水注入和排出的控制和调节，因此其性能的好坏直接影响着全船各个系统乃至整个船舶的性能。

过去受研究手段的限制，对通海阀的研究主要采用实验方法，对它的外部特性，如进出口压力差、流量系数等进行测试和分析，而对流体在通海阀内部的流动情况则很难知晓，认识不足。近年来随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展，应用CFD方法，对各种阀内部的流场进行仿真计算和可视化分析，成为流体机械领域新的研究热点，其研究工作对阀门的结构参数设计和流道优化设计具有重要的实际意义。

近年来国内外学者应用CFD方法对液压锥阀、调节阀、蝶阀等阀门的内部流道进行了许多研究，文献［1－3］采用有限元方法，建立了二维模型，对锥阀内流场进行了数值模拟，并用DPIV流场试验可视化技术进行了实验可视化研究。文献［4］则分别对简化为轴对称的二维流场模型，和不经过任何简化及近似处理的三维面对称流场模型两种情况，应用CFD分析软件Fluent进行了仿真计算和可视化研究，给出了锥阀阀腔内的速度场、压力场和流线图。对比分析表明，采用基于三维流场的可视化分析，可更清楚全面地反映锥阀内部的复杂流动情况。Ito等［5］用有限差分法对液压锥阀层流流场进行了研究；文献［6］对水压锥阀内部的流场进行了实验研究。文献［7-9］是调节阀仿真的实例，文献［10］则是蝶阀的仿真实例。

依据以上的研究实例，本文采用CFD方法选用Fluent软件对通海阀在不同开口和不同流量下的内部流场进行数值模拟，根据可视化结果分析通海阀内部流场（速度分布、流场结构、漩涡的产生及消失等）与噪声、能量损失机理的关系。根据分析结果为通海阀内流道的优化提出改进方向。

2 模型建立

2.1 几何模型

本文以GB587－2004黄铜通海阀为例，其结构如图1所示，从图中可以看到，其结构为直角结构，由阀体、阀芯、阀杆和手轮组成，下侧为海水入口通过法兰与耐压壳体上的杯形管件连接，与外界海水相通，出口与舱内的管路连接。

图1 通海阀的结构图

2.2 数学模型

通海阀内部流动为不可压缩的三维粘性流动，可以用不可压缩的雷诺平均方程组求解，采用RNG κ－ε湍流模型构成封闭的方程组。

1）连续性方程：

2）动量方程组：

3）湍流涡粘性系数计算公式：

4）湍动能κ的输运方程为：

5）湍流耗散率ε的输运方程：

αk、αε分别表示κ方程和ε方程的湍流Prandtl数，Gk代表由平均速度梯度引起的湍动能生成项，在ε方程中，Rε为ε方程中的附加源项，代表平均应变率对ε的影响，Rε的表达式为：

上述方程的模型参数为：η0＝4.38，β＝0.012，Cu＝0.084 5，C1ε＝1.42，C2ε＝1.68，αk＝αε＝0.719 4。其中，η是无量纲应变或者湍流时间与应变尺度的比值，代表平均应变率对ε的影响。

RNG κ－ε湍流模型既适应高雷诺数情况，也适应低雷诺数下的湍流流动，即提供了一个微分形式的有效粘性系数表示式，来说明低雷诺数流动效应。此外，对于湍流Prandtl数，RNG κ－ε湍流模式提供了一个解析式，而标准κ－ε湍流模式使用了经验常数。

3 数值计算

3.1 网格划分

为了保证通海阀进出口的边界条件符合实际，在计算过程中分别对通海阀的进出口添加了等同直径的管道，管道长度为1 000 mm，以保证进口流动稳定，出口无回流产生。

由于通海阀全流道的三维实体模型较为复杂，因此采用现在较为流行的三维设计软件Catia进行实体建模，再通过Catia软件的输出接口将模型导入Fluent的前处理软件Gambit中，采用四面体非结构化网格进行网格划分，输出Fluent软件能识别的.msh文件。通海阀流道网格划分图如图2所示。

图2 通海阀网格划分图

3.2 边界条件

1）流体状态：流体为不可压缩、牛顿流体，流体状态为湍流，采用RNG k－ε湍流模型。流体密度：1 025 kg／m3；动力粘度：0.001 054 kg／ms。

2）入口条件：由于流体为不可压缩流体，且知道各工况的流量，因此入口采用速度入口，入口速度由各工况的流量确定，计算公式，其中，Q为入口处的平均流量，S为入口处截面面积。

本文选用2种工况，流量分别为20 m3／h、100 m3／h，开口为全开和1／4开口两种情况。

3）出口条件：自由出口。

4）壁面条件：流体与壁面接触的边界为静止壁面。

4 计算结果分析

4.1 相同边界条件下不同开口度的数值计算结果比较

为了说明开口度对通海阀内流场的影响，本文在给定边界条件，分析比较了流量相同、开口度不同时的计算结果。仿真结果如图3和图4所示（本文取流量为100 m3／h）。从给出的压力分布图和速度矢量图中我们可以看出：

1）通过阀芯节流口时，由于过流断面面积突然减小，流速增大，压力减小。

2）比较纵截面的压力分布图（a），可以看到随着开口度的增大，流场内压力的最小值增大，节流口处上下压差减小，即局部压力降减小，能量耗散减小。

3）从纵截面速度矢量图（b）中，可以看到阀芯周围存在着附体漩涡区，随着开口度的增大，附体漩涡随之减少，而且通海阀出口处的漩涡也相应减少。说明能量耗散与漩涡区的大小和过流断面大小有关，阀门开口越大，漩涡区越小，能量耗散越小。

图3 开口为1／4开口流量为100 m3/h的仿真结果

图4 开口为全开流量为100 m3／h的仿真结果

4）从横截面速度矢量图（c）中可以看到，在阀杆处存在着绕流漩涡，但是开口度的变化对绕流漩涡影响不大，说明附体漩涡和剧烈的压力变化是影响通海阀性能和产生噪声的主要因素，对通海阀结构优化就需要从减少附体漩涡和降低局部压降两方面来考虑。

5）从速度矢量图（b）中我们还可以发现，在小开口度时，通海阀内外壁的速度基本相同，两侧流体场基本对称，但是在全开时，节流口下游外壁速度明显比内壁速度大，分析其原因是由于通海阀采用直角结构，在直角处产生了二次流，内外壁速度不等会造成外壁的高速流体在出口处向内壁运动，对内壁壁面产生冲击，从而产生冲击噪声。因此，解决内外壁速度不等也是优化时需要考虑的方面。

4.2 相同开口度不同边界条件的计算结果比较

为了说明在相同流动区域时，即开口度相同时流量对通海阀内部流场的影响，本文计算了流量分别为20 m3／h和100 m3／h时的流场，开口采用全开形式，图5为流量不同时的各个流场在纵截面的压力轮廓图。图6为流量不同时的各个流场在纵截面的速度矢量图。从图中我们可以总结如下：

1）比较速度矢量图可以发现，开口度一定时，流量增大，通海阀内流场分布基本没有变化，速度分布只是数值上的差异，说明在通海阀内的漩涡分布的影响因素主要是开口度的不同，即通流面积影响。

2）比较纵截面的压力分布图，可以看到随着流量的增加，通海阀节流口处的压力最小值大大减小，局部压力降增大，能量耗散增大。

5 结论

1）数值仿真计算结果表明，通海阀内部的漩涡和压力剧烈变化是影响通海阀性能和产生噪声的主要因素。因此，减小漩涡区域和降低局部压力降将是对通海阀进行结构改造时重点考虑的方面。

2）当开口度一定时，随着流量的增大，通海阀内部流场基本没有变化，但节流口处的局部压力降增大，能量耗散增大。

3）当流量一定时，随着开口度的增大，内部流场的漩涡区域大大减小，局部的压力降减小，能量耗散减小。

4）当通海阀全开时，节流口下游外壁速度明显比内壁速度大，内外壁速度不等会造成外壁的高速流体在出口处向内壁运动，对内壁壁面产生冲击，从而产生冲击噪声。因此，解决内外壁速度不等也是通海阀结构改造时需要考虑的方面。

图6 通海阀全开不同流量时的速度矢量图

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Three Dimensional Numerical Simulation of Flow Fields Inside Sea Suction Valve

Jiang Shan Zhang Jing－wei Wu Chong－jian Xu Qing Peng Wen－bo China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The sea suction valve is a critical device to connect the pipelines inside of ships and boats to the water outside.It works to control and adjust the sea water flux，and thus affects the performance of each systems of，and sometimes，even whole ships and boats.It was found in practices，that the vibration acceleration of the valve is too high to maintain the acoustic performance of ships and boats.In this paper，study was conducted on three dimensional simulations of such valves.The Fluent software has been used to simulate the flow fields inside the valve at the conditions of different openings and different flux.And the pressure distribution and velocity distribution were obtained through simulations.The noise sources to deteriorate the valve were discussed based on the visual results of the simulation.The results provide a theoretic basis for optimizing the flow fields inside the sea suction valves.

sea suction valve；turbulent model；Fluent software；flow field visualization

O328

A

1673－3185（2009）02－37－05

2007-12-25

海军专项研究课题

江 山（1981－），女，助理工程师，硕士。研究方向：管路系统噪声控制。E-mail：jiangshan5293＠126.com

张京伟（1963－），男，研究员。研究方向：船舶系统