上海申弘閥門有限公司
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偏心半球閥模擬現(xiàn)場流量通過ICEM軟件，使用結構網(wǎng)格與非結構網(wǎng)格相結合的有限元法以及Fluent 軟件中基于各向同性渦粘性理論的k-ε雙方程模式，求解得到了不同開度下的偏心半球閥內(nèi)部三維流場的流場圖以及通過計算描繪了相關的閥門固有流量特性等曲線，并進行了相應的分析。
1、偏心半球閥模擬現(xiàn)場流量概述
閥門內(nèi)部結構復雜，當流體通過閥門時會產(chǎn)生壓差，并成為影響管道局部水頭損失的主要因素。在閥門設計中，不僅注重結構形態(tài)，還需要研究不同類型不同結構閥門的內(nèi)部流場的特殊性與差異性。偏心半球閥具有開關無摩擦，密封不易磨損，啟閉力矩小等優(yōu)點，可以減小所配執(zhí)行器的規(guī)格。配以多回轉電動執(zhí)行機構，可實現(xiàn)對介質(zhì)的調(diào)節(jié)和嚴密切斷。因此廣泛適用于石油、化工、城市給排水等要求嚴格切斷的工況。本文通過運用Ansys等軟件，對DN250偏心半球閥在不同開度下的流場進行了數(shù)值模擬分析。以便為閥門安全與結構優(yōu)化設計提供參考。
2、偏心半球閥模擬現(xiàn)場流量計算流程
2.1、物理模型
使用SolidWorks2014 三維軟件，按照1: 1的比例分別構建偏心半球閥的所有組成部件的物理模型，利用SolidWorks中的裝配體版塊，給部件添加幾何關系、約束，以便組成偏心半球閥真實的物理模型(圖1) 。偏心半球閥流場的可視化仿真分析適用于鋼鐵業(yè)，鋁業(yè)，纖維，微小固體顆粒，紙漿，煤灰，石油氣等介質(zhì)。偏心半球閥在外觀結構上分為兩種：
1、上裝式：主要針對磨損非常嚴重的介質(zhì)，上裝結構在被損啟閉件的更換維修是非常方便，無須將整臺閥門從管道上拆下，大大的節(jié)省了維修時間和成本。
2、側裝式：側裝式結構緊湊、閥門質(zhì)量輕，適用于對閥門安裝空間有要求的場合。
硬密封偏心半球閥特點
1、其結構采用偏心契緊原理通過傳動機構達到閘緊、調(diào)節(jié)、關閉的目的，密封副是金屬面環(huán)帶硬面接觸密封，雙偏心結構在開啟時閥芯位于藏球室內(nèi)，流通截面大，且閥門不被沖刷，關閉時閥芯不被沖刷，開啟時閥芯球面沿閥座漸進，有效地切除結垢障礙，實現(xiàn)可靠密封。它對兩相混流易結垢固體析出的混流輸送特別有效。
2、閥門的半球用雙金屬，母材上堆焊不同的合金，閥座也作相應堆焊經(jīng)特殊的處理，密封面組合成防腐、耐磨、高強度等各種類型，滿足不同場合需求。
3、密封嚴密、輸送有害氣體可達零泄露。
4、密封副的閥芯留有補償量、當閥做磨損后，關閉時再轉動少許，任能可靠密封，延長了使用壽命。此外，用戶將壓緊螺母擰掉，調(diào)整或更換后閥座仍可用，避免了閥門密封失效后，整臺報廢的弊端。圖1 偏心半球閥
2.2、結構簡化及網(wǎng)格化分
在閥門前后添加進口管道和出口管道。為了便于使用Ansys 中的Fluent 進行分析計算，對偏心半球閥的結構進行優(yōu)化，并適當簡化流動區(qū)域中的圓角和倒角，以加快計算的收斂率。由于閥前閥后幾何形狀簡單都為圓柱體，而閥體腔內(nèi)部結構復雜，且閥芯結構復雜，所以，在使用ICEM 劃分網(wǎng)格時，對于閥前后的兩段圓柱體流域劃分結構網(wǎng)格，而對中間的復雜區(qū)域劃分自適應性比較好的非結構網(wǎng)格。因為結構網(wǎng)格和非結構網(wǎng)格劃分的方法不同，需要在兩種網(wǎng)格交界處建立交界面，即interface1 和interface2(圖2) 。偏心半球閥流場的可視化仿真分析圖2 開度為50°的偏心半球閥
2.3、分析方法
閥門內(nèi)部為湍流，因此設置湍流模型為具有平衡壁面函數(shù)的k -ε 模型，對流項均采用二階迎風差分方式進行離散。內(nèi)部區(qū)域設置為fluid，介質(zhì)選擇為water -liquid。管道入口面設置為速度入口(velocity -inlet) ，速度矢量，沿Y 軸正向。管道出口面設置為出流(Out flow) 邊界條件。interface1 和interface2 設置為interior，其他壁面設置為wall。求解器選擇SIMPLE 算法，默認求解控制參數(shù)。流場初始化、設置殘差監(jiān)視器、設置迭代次數(shù)進行求解計算，500 次左右計算收斂。
3、計算分析
為了更好的研究偏心半球閥的流場特性，計算了閥門開啟角度從10°～90°，即從微開到全開，且每隔5°計算一次。共計17 個工況。
3.1、流場分析
在用Fluent 對閥門流域進行計算之后，為了便于更好的對比不同開度下的速度分布，統(tǒng)一設置速度云圖的zui小值與zui大值的范圍為0 ～6m /s。這樣可以更直觀的從顏色分布就可以看出zui大速度出現(xiàn)的位置以及同一位置不同開度下的速度變化(圖3，圖4) 。偏心半球閥流場的可視化仿真分析圖3 不同開度下Z = 0 平面的速度云圖偏心半球閥流場的可視化仿真分析圖4 不同開度下Y = 0 平面的速度云圖當偏心半球閥開啟角度為10°( 微小開啟) 時，在閥芯開口邊緣處速度較大，但因為開度較小，速度大的區(qū)域較小，對閥體的沖擊也較小。但是此時可以看到在閥芯背面區(qū)域，有較小強度的漩渦形成。
當偏心半球閥開啟角度為25°時，在閥芯開口邊緣處的速度依然較大，并且此時，速度大的區(qū)域增大，對閥芯和閥體的沖擊作用也較強。已能明顯的看出在閥芯背面形成了漩渦區(qū)域，流動極其復雜，對閥芯的影響也較大。
當偏心半球閥開啟角度為45°或大于45°時，從速度云圖中可以看出，流經(jīng)閥芯的流體速度分布較為均勻，并且速度不是很大，也沒有漩渦。
3.2、閥門損失系數(shù)
流體流過閥門時，流體的阻力損失以閥門前后的流體壓降Δp 表示。根據(jù)水頭損失和局部損失系數(shù)可以推出局部損失系數(shù)與壓降的關系式。偏心半球閥流場的可視化仿真分析取interface1 和interface2 計算閥門的壓力差，進而計算出閥門的局部損失系數(shù)。通過Fluent 中的面加權計算流域中重要截面的速度隨開度的變化曲線(圖5) 。
從圖5 中可以看出，閥門進出口的速度在開度較小時，速度值較大，對閥芯和閥體腔的沖刷作用較強，易磨損閥芯和閥體腔。偏心半球閥流場的可視化仿真分析圖5 計算結果數(shù)據(jù)分析偏心半球閥利用偏心閥體，偏心球體和閥座，閥桿作旋轉運動時在共同軌跡自動定心，關閉過程中越關越緊，*達到良好的密封目的。閥門的球體和閥座*脫離，消除了密封圈的磨損，克服了傳統(tǒng)球體閥座與球體密封面始終磨損的問題，非金屬彈性材料被嵌入金屬座中，閥座金屬面受到良好的保護。硬密封偏心半球閥特別
偏心半球閥選型適用原則
1、石油、天然氣的輸送主管線、需要清掃管線的，又需埋設在地下的，選用全通徑、全焊接結構的球閥；埋設在地上的，選擇全通徑焊接連接或法蘭連接的球閥；支管，選用法蘭連接、焊接連接，全通經(jīng)或縮徑的球閥。
2、成品油的輸送管線和貯存設備，選用法蘭連接的球閥。
3、城市煤氣和天然氣的管路上，選用法蘭連接和內(nèi)螺紋連接的浮動球閥。
4、冶金系統(tǒng)中的氧氣管路系統(tǒng)中，宜選用經(jīng)過嚴格脫脂處理，法蘭連接的固定球閥。
5、低溫介質(zhì)的管路系統(tǒng)和裝置上，宜選用加上閥蓋的低溫球閥。
6、煉油裝置的催化裂化裝置的管路系統(tǒng)上，可選用升降桿式球閥。
7、化工系統(tǒng)的酸堿等腐蝕性介質(zhì)的裝置和管路系統(tǒng)中，宜選用奧氏體不銹鋼制造的、聚四氟乙烯為閥座密封圈的全不銹鋼球閥。
8、冶金系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、石化裝置、城市供熱系統(tǒng)中的高溫介質(zhì)的管路系統(tǒng)或裝置上，可選用金屬對金屬密封球閥。
9、需要進行流量調(diào)節(jié)時，可選用蝸輪蝸桿傳動的、氣動或電動的帶V 形開口的調(diào)節(jié)球閥。
硬密封偏心半球閥適用范圍
硬密封偏心半球閥的使用范圍及其的廣泛。硬密封偏心半球閥可適用于水、汽、油品等系統(tǒng)中；適用于水壩底部放空閥和控制閥（高流速狀態(tài)），適用于泵輸送系統(tǒng)的閥門，如加壓系統(tǒng)，中央空調(diào)系統(tǒng)。
4、結語
模擬分析結果表明，偏心半球閥在開度大于45°時具有較好的流通性能。另外從局部損失系數(shù)隨著開度的變化趨勢可以看出，開啟角度大于40°之后，局部損失系數(shù)ξ 趨于一個常數(shù)。由此可以得出，此種偏心半球閥不能作為調(diào)節(jié)閥使用。應該是只適用于*開啟或*關閉兩種工況。如果將偏心半球閥用作調(diào)節(jié)閥，容易損壞閥芯和閥體的結構。因此閥門使用時一定要了解其功能及應用范圍，避免造成不必要的損壞。
