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(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)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(jì)算描繪了相關(guān)的閥門固有流量特性等曲線，并進(jìn)行了相應(yīng)的分析。
1、偏心半球閥模擬現(xiàn)場流量概述
閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)流體通過閥門時(shí)會(huì)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(shè)計(jì)中，不僅注重結(jié)構(gòu)形態(tài)，還需要研究不同類型不同結(jié)構(gòu)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(guān)無摩擦，密封不易磨損，啟閉力矩小等優(yōu)點(diǎn)，可以減小所配執(zhí)行器的規(guī)格。配以多回轉(zhuǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)的調(diào)節(jié)和嚴(yán)密切斷。因此廣泛適用于石油、化工、城市給排水等要求嚴(yán)格切斷的工況。本文通過運(yùn)用Ansys等軟件，對(duì)DN250偏心半球閥在不同開度下的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。以便為閥門安全與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
2、偏心半球閥模擬現(xiàn)場流量計(jì)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(gòu)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(guān)系、約束，以便組成偏心半球閥真實(shí)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(jié)構(gòu)上分為兩種：
1、上裝式：主要針對(duì)磨損非常嚴(yán)重的介質(zhì)，上裝結(jié)構(gòu)在被損啟閉件的更換維修是非常方便，無須將整臺(tái)閥門從管道上拆下，大大的節(jié)省了維修時(shí)間和成本。
2、側(cè)裝式：側(cè)裝式結(jié)構(gòu)緊湊、閥門質(zhì)量輕，適用于對(duì)閥門安裝空間有要求的場合。
硬密封偏心半球閥特點(diǎn)
1、其結(jié)構(gòu)采用偏心契緊原理通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到閘緊、調(diào)節(jié)、關(guān)閉的目的，密封副是金屬面環(huán)帶硬面接觸密封，雙偏心結(jié)構(gòu)在開啟時(shí)閥芯位于藏球室內(nèi)，流通截面大，且閥門不被沖刷，關(guān)閉時(shí)閥芯不被沖刷，開啟時(shí)閥芯球面沿閥座漸進(jìn)，有效地切除結(jié)垢障礙，實(shí)現(xiàn)可靠密封。它對(duì)兩相混流易結(jié)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(yīng)堆焊經(jīng)特殊的處理，密封面組合成防腐、耐磨、高強(qiáng)度等各種類型，滿足不同場合需求。
3、密封嚴(yán)密、輸送有害氣體可達(dá)零泄露。
4、密封副的閥芯留有補(bǔ)償量、當(dāng)閥做磨損后，關(guān)閉時(shí)再轉(zhuǎn)動(dòng)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(tái)報(bào)廢的弊端。圖1 偏心半球閥
2.2、結(jié)構(gòu)簡化及網(wǎng)格化分
在閥門前后添加進(jìn)口管道和出口管道。為了便于使用Ansys 中的Fluent 進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)偏心半球閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并適當(dāng)簡化流動(dòng)區(qū)域中的圓角和倒角，以加快計(jì)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(jié)構(gòu)復(fù)雜，且閥芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以，在使用ICEM 劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)于閥前后的兩段圓柱體流域劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而對(duì)中間的復(fù)雜區(qū)域劃分自適應(yīng)性比較好的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)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(shè)置湍流模型為具有平衡壁面函數(shù)的k -ε 模型，對(duì)流項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)差分方式進(jìn)行離散。內(nèi)部區(qū)域設(shè)置為fluid，介質(zhì)選擇為water -liquid。管道入口面設(shè)置為速度入口(velocity -inlet) ，速度矢量，沿Y 軸正向。管道出口面設(shè)置為出流(Out flow) 邊界條件。interface1 和interface2 設(shè)置為interior，其他壁面設(shè)置為wall。求解器選擇SIMPLE 算法，默認(rèn)求解控制參數(shù)。流場初始化、設(shè)置殘差監(jiān)視器、設(shè)置迭代次數(shù)進(jìn)行求解計(jì)算，500 次左右計(jì)算收斂。
3、計(jì)算分析
為了更好的研究偏心半球閥的流場特性，計(jì)算了閥門開啟角度從10°～90°，即從微開到全開，且每隔5°計(jì)算一次。共計(jì)17 個(gè)工況。
3.1、流場分析
在用Fluent 對(duì)閥門流域進(jìn)行計(jì)算之后，為了便于更好的對(duì)比不同開度下的速度分布，統(tǒng)一設(shè)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(dāng)偏心半球閥開啟角度為10°( 微小開啟) 時(shí)，在閥芯開口邊緣處速度較大，但因?yàn)殚_度較小，速度大的區(qū)域較小，對(duì)閥體的沖擊也較小。但是此時(shí)可以看到在閥芯背面區(qū)域，有較小強(qiáng)度的漩渦形成。
當(dāng)偏心半球閥開啟角度為25°時(shí)，在閥芯開口邊緣處的速度依然較大，并且此時(shí)，速度大的區(qū)域增大，對(duì)閥芯和閥體的沖擊作用也較強(qiáng)。已能明顯的看出在閥芯背面形成了漩渦區(qū)域，流動(dòng)極其復(fù)雜，對(duì)閥芯的影響也較大。
當(dāng)偏心半球閥開啟角度為45°或大于45°時(shí)，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(shí)，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(guān)系式。偏心半球閥流場的可視化仿真分析取interface1 和interface2 計(jì)算閥門的壓力差，進(jìn)而計(jì)算出閥門的局部損失系數(shù)。通過Fluent 中的面加權(quán)計(jì)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(jìn)出口的速度在開度較小時(shí)，速度值較大，對(duì)閥芯和閥體腔的沖刷作用較強(qiáng)，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(jì)算結(jié)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(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在共同軌跡自動(dòng)定心，關(guān)閉過程中越關(guān)越緊，*達(dá)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(hù)。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(shè)在地下的，選用全通徑、全焊接結(jié)構(gòu)的球閥；埋設(shè)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(shè)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(dòng)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(yán)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(duì)金屬密封球閥。
9、需要進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí)，可選用蝸輪蝸桿傳動(dòng)的、氣動(dòng)或電動(dòng)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(jié)語
模擬分析結(jié)果表明，偏心半球閥在開度大于45°時(shí)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(shì)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(gè)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(yīng)該是只適用于*開啟或*關(guān)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(jié)構(gòu)。因此閥門使用時(shí)一定要了解其功能及應(yīng)用范圍，避免造成不必要的損壞。
