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自力式视镜流场的数值仿照及优化2017-5-12 11:51:03

    1 前语
    自力式视镜是一种全自动的流体温度和流量控制设备。它的效果是当两种温度不一样的流体别离通入阀腔,通过视镜内件自动调度两者的流量,使出口温度坚持安稳,而无需外加驱动和控制设备。作为一种新式阀门,视镜在中国的运用日益广泛,首要运用于电站发电机组和离心紧缩机组等大型的高速回转机组的轴承光滑冷却系统以及其它对流体有温度控制需要的系统中,它具有结构简略、功用牢靠和节能等利益。
    用于自力式视镜的感温元件有不一样的类型,如形状回想合金、双金属片等,但是当时较多选用的是蜡质感温元件。迄今,国内外对选用蜡质感温元件的自力式视镜多从感温包和机械结构的角度进行分析研讨,而很少运用数值仿照软件对视镜的流道温度场分析。这篇文章运用CFD软件FLUENT对某类型的视镜进行数值仿照,对其温度场进行详细的分析,以及对流道进行优化,使其能够非常好地发扬恒温控制的效果。
    2 自力式视镜的结构及作业原理
    某一类型自力式视镜的结构如图1所示。感温包是核心部件,它既是流体的感温元件,又是阀门的驱动元件,由感温蜡与铜沫混合物构成,其间铜沫首要起导热效果,可使感温包内、外的热量快速传递及均匀分布。驱动力根据温度增加时蜡熔化的体积胀大。感温蜡的体积改动被锥形橡胶键扩展,并传给阀杆,改动调度筒的位移量,进而改动冷热流体的流量,直抵抵达预定温度。感温蜡与橡胶键之间设有一层橡胶隔膜,起隔绝效果。
    该自力式视镜为三通阀,两进一出。热流体首要进入视镜(此刻冷流体通道还处于关闭情况),通过调度筒内腔流经感温包。当感温包感知热流体的温度高于设定温度值时,其内填的感温蜡发作相变,体积胀大,通过推动阀杆使调度筒发作位移,一同翻开冷流体通道(热流体通道变小),所以冷流体流入视镜,并与热流体进行混合。冷、热流体混合后,还要通过一小段空腔才抵达感温包,通过热交换温度抵达一定值后,混合流体再通过感温包与视镜出口之间的空腔室,毕竟流出视镜。反之,当混合流体温度跟着冷流体与热流体的混合而下降时,感温蜡体积缩短,在复位弹簧的效果下快速关小冷流体进口通道,开大热流体进口通道,保证混合后的流体温度始格单元。
    终维持在给定的温度值。由此可见,阀杆的位移是蜡质感温驱动元件温度的函数。温度改动使阀杆和调度筒不断运动,调度冷热流体的流量,完成对混合流体的温度控制。
    3 计算模型及网格区别
    运用SolidWorks三维实体建模软件,对图1所示的调度筒以上的阀腔流道建模。为仿照冷热流体在阀腔内混合后的温度场情况,取某一时间冷热流体比例为1:2的调度筒开度进行建模。在建模中省略弹簧和拉杆等阀内零部件,以便简化计算。运用计算流体力学软件FLUENT的前处理器GAMBIT软件对计算模型进行网格区别,如图2所示,全部流道共区别为39339个四面体网。
    4 计算成果及分析
    这篇文章所求解的底子方程是三维不可压N-S方程,湍流模型选用规范k-E模型。离散方程的求解办法选用非结构网格上的SIMPLE算法,一阶迎风格式。速度压力场选用隐式的全场迭代解法。视镜内的流质为某商标紧缩机光滑油,边界条件为速度进口和安闲流出口,设定冷热流体的进口流速均为0.5m/s。冷流体温度为295K,热流体温度为325K。
    运用FLUENT软件对视镜流道模型进行数值仿照,得到对称面上的速度矢量图和温度分布云图,如图3、4所示。从图中能够看出,阀门内的流场参数底子呈轴对称分布,这是由于计算模型是轴对称的,但流体处于湍流情况,活动非常复杂,因此不可能呈现完全轴对称,但总体上底子构成轴对称分布。从图中还能够看出,进口的冷热流体通过阀内一段空腔的混合后,温度逐渐均匀,有利于感温包感知真实精确的混合流体温度。但混合效果并不非常志向,温度分层仍很明显,从感温包向外温度逐渐下降。感温包顶部流体混合剧烈,但温度场也并未因此而极好地改进。根据理论计算,本例中混合后的平均温度是315K,但是,从温度分布云图可知,感温包地点的温度环境明显高于混合平均温度,感温包周围的温度约为318K支配,这是由于感温包处的流体混合还不可充分,因此感温包周围流体温度偏高,而壁面流体温度偏低,这么就会致使感温包对出口流体温度控制发作过失。为了前进视镜控温的精确性,有必要对流道进行改进,以便使感温包周围的温度更靠近混合流体的平均温度。 
    5 流道优化
    由于自力式视镜感温包周围流场混合不可均匀,需要加强阀腔内冷热流体混合的力度,因此考虑在阀腔流道内加设节约挡板。为对比挡板方位对节约混合效果的影响,别离在感温包中部和下部加设挡板,建立了模型一和模型二。
    对改进流道进行数值仿照,得到改进后流场的温度分布,如图5、6所示。加设节约挡板后,感温包地点的温度环境明显改进,感温包几乎完全处于315K温度的围住当中,这是流体均匀混合后的精确温度。阐明加设挡板后,非常有利于感温包对温度的精确感知,并且,模型一的改进效果要明显好于模型二。
    由于挡板的存在,大大加强了感温包周围流体的剧烈混合,因此能使感温包周围的温度场变得均匀,使其能够精确感知温度进而非常好地控制混合流体的温度。
    由于加设了节约挡板,阀内流体阻力会有所增大。阻力丢掉能够通过数值仿照计算得到的阀门进出口压力丢掉来衡量,如表1所示。从表中能够看出,加设挡板后阀门进出口压力丢掉有一定增大,即阀门阻力增大,且模型一的压力丢掉稍大于模型二。但是,因加设挡板而导致压力丢掉的增幅并不大(由无挡板的1.0%增为模型一的1.8%),而对于自力式视镜来说,感温控温的精确程度是其首要功用方面,感温包周围温度场的均匀精确更为重要,加设挡板能使温度场更加均匀,能够非常好的增加感温包的控温精确度,因此加设挡板更有利于前进视镜的运用功用,并且以感温包中部加设挡板的流道模型功用优。
    6 定论
   (1)通过对自力式视镜流场的数值仿照,能够详细掌握阀内温度场分布情况,发现流场缺陷,这有助于视镜的优化计划,具有非常重要的实际意义;
   (2)在感温包中部加设节约挡板,虽然小幅度增加了一些阻力丢掉,但能够使感温包周围流体充分混合,使其周围温度场明显均匀精确,更有利于视镜对流体温度的精确控制。

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