1.偏心半球閥流場(chǎng)模擬綜述

美國(guó)MILLER(米勒)閥門(mén)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復(fù)雜。當(dāng)流體通過(guò)閥門(mén)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓差，這將成為影響管道局部水頭損失的主要因素。在閥門(mén)的設(shè)計(jì)中，不僅要注意結(jié)構(gòu)形式，還要研究不同類型和結(jié)構(gòu)的閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)的特殊性和差異性。偏心球閥具有開(kāi)關(guān)無(wú)摩擦、密封磨損小、啟閉扭矩小的優(yōu)點(diǎn)，可降低執(zhí)行機(jī)構(gòu)的規(guī)格。多旋轉(zhuǎn)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，介質(zhì)可調(diào)，切斷緊密。因此廣泛應(yīng)用于石油、化工、城市給排水等需要嚴(yán)格截止的工況。本文利用Ansys等軟件對(duì)DN250偏心球閥在不同開(kāi)度下的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析。從而為閥門(mén)的安全性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。2.模擬流場(chǎng)的偏心半球閥計(jì)算流程

2.1.物理模型

利用SolidWorks20143D軟件，按照1:1的比例分別建立偏心半球閥各部件的物理模型。使用SolidWorks中的裝配塊，將幾何關(guān)系和約束添加到組件中，以形成偏心半球閥的真實(shí)物理模型(圖1)。偏心球閥流場(chǎng)可視化仿真分析適用于鋼鐵工業(yè)、鋁業(yè)、纖維、微小固體顆粒、紙漿、粉煤灰、石油氣等介質(zhì)。半偏心球閥從外形結(jié)構(gòu)上分為兩種類型:

1.上置式:主要針對(duì)磨損嚴(yán)重的介質(zhì)。上置式結(jié)構(gòu)對(duì)于損壞的啟閉部件的更換和維修非常方便，不需要將整個(gè)閥門(mén)從管道上拆下來(lái)，大大節(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(mén)重量輕，適用于需要閥門(mén)安裝空間的場(chǎng)合。

模擬流場(chǎng)的硬密封偏心半球閥特性

1.該結(jié)構(gòu)采用偏心鎖緊原理，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到鎖緊、調(diào)節(jié)和關(guān)閉的目的。密封副是帶有金屬表面帶的硬面接觸密封。雙偏心結(jié)構(gòu)的閥芯開(kāi)啟時(shí)位于儲(chǔ)球室內(nèi)，過(guò)流截面大，關(guān)閉時(shí)閥芯不被沖刷。開(kāi)啟時(shí)，閥芯球面逐漸沿閥座，有效清除結(jié)垢障礙，實(shí)現(xiàn)可靠密封。對(duì)于易結(jié)垢固體沉淀的兩相混流的混流輸送特別有效。

2.閥門(mén)的半球由雙金屬制成。不同的合金堆焊在基材上，氣門(mén)座也堆焊有特殊處理。密封面組合成耐腐蝕、耐磨、高強(qiáng)度等多種類型，以滿足不同場(chǎng)合的需要。

3、密封嚴(yán)密，輸送有害氣體可達(dá)到零泄漏。

4.密封副的閥芯具有補(bǔ)償量。閥門(mén)磨損時(shí)，關(guān)閉時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一點(diǎn)，使其密封可靠，使用壽命延長(zhǎng)。此外，用戶擰下壓緊螺母，調(diào)整或更換后閥座仍可使用，避免了閥門(mén)密封失效后整個(gè)閥門(mén)報(bào)廢的缺陷。圖1偏心半球閥

2.2.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化和網(wǎng)格化

在閥門(mén)前后添加進(jìn)水管和出水管。為了便于利用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)行了優(yōu)化，并對(duì)過(guò)流區(qū)的圓角和倒角進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，以加快計(jì)算的收斂速度。由于閥門(mén)前后的幾何形狀都是圓柱體，且閥體內(nèi)腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，閥芯結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在使用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)閥門(mén)前后的兩個(gè)圓柱盆劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)中間的復(fù)雜區(qū)域劃分適應(yīng)性更好的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。由于結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的劃分方法不同，需要在兩個(gè)網(wǎng)格的交界處建立界面，即界面1和界面2(圖2)。偏心球閥流場(chǎng)可視化仿真分析圖2開(kāi)度為50°的偏心球閥

2.3.解析法

閥門(mén)內(nèi)部為湍流，湍流模型設(shè)置為帶平衡壁函數(shù)的k-ε模型，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分法離散。內(nèi)部區(qū)域設(shè)置為流體，介質(zhì)選擇為水-液體。管道的入口曲面設(shè)置為速度-入口，速度矢量，沿Y軸為正。管道的出口面被設(shè)置為流出邊界條件。“界面1”和“界面2”設(shè)置為“內(nèi)部”，其他墻設(shè)置為“墻”。求解器選擇簡(jiǎn)單算法，控制參數(shù)默認(rèn)求解。初始化流場(chǎng)，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，大約500次后計(jì)算收斂。

3.偏心半球閥模擬流場(chǎng)的計(jì)算與分析

為了更好地研究偏心半球閥的流場(chǎng)特性，閥門(mén)開(kāi)啟角度從10°到90°計(jì)算，即從微開(kāi)到全開(kāi)，每隔5度計(jì)算一次。共17種工況。

3.1.流場(chǎng)分析

用Fluent計(jì)算閥盆后，為了更好的比較不同開(kāi)度下的速度分布，將速度云圖的最小值和最大值統(tǒng)一設(shè)置在0~6m/s的范圍內(nèi)，這樣，從顏色分布上可以更直觀的看到最大速度出現(xiàn)的位置以及不同開(kāi)度下同一位置的速度變化(圖3，圖4)。偏心球閥流場(chǎng)可視化仿真分析圖3不同開(kāi)度下偏心球閥在Z=0平面內(nèi)的流場(chǎng)可視化仿真分析圖4不同開(kāi)度下Y=0平面的速度云當(dāng)偏心球閥開(kāi)度為10°時(shí)(微開(kāi))，閥芯開(kāi)口邊緣處速度較高，但由于開(kāi)度較小，速度較高的區(qū)域較小，對(duì)閥體的影響也較小。但此時(shí)可以看到，在閥芯后部區(qū)域有一個(gè)低強(qiáng)度的渦流。

當(dāng)偏心半球閥的開(kāi)啟角度為25°時(shí)，閥芯開(kāi)口邊緣的流速仍然較高，此時(shí)流速較高的區(qū)域增大，對(duì)閥芯和閥體的沖擊也較強(qiáng)。可以清楚地看到，閥芯背面形成一個(gè)渦流區(qū)，流動(dòng)極其復(fù)雜，對(duì)閥芯影響很大。

當(dāng)偏心半球閥的開(kāi)啟角度為45°或更大時(shí)，從速度云圖可以看出，流體流經(jīng)閥芯的速度分布比較均勻，速度不是很大，沒(méi)有渦流。

3.2、閥門(mén)損失系數(shù)

當(dāng)流體流經(jīng)閥門(mén)時(shí)，流體的阻力損失用閥門(mén)前后的流體壓降δp來(lái)表示。根據(jù)水頭損失和局部損失系數(shù)，可以推導(dǎo)出局部損失系數(shù)與壓降的關(guān)系。偏心球閥接口1和接口2的流場(chǎng)可視化仿真分析用于計(jì)算閥門(mén)的壓差，進(jìn)而計(jì)算閥門(mén)的局部損失系數(shù)。在Fluent中通過(guò)面加權(quán)計(jì)算出流域重要斷面流速隨開(kāi)口變化的曲線(圖5)。

從圖5可以看出，當(dāng)閥門(mén)進(jìn)出口開(kāi)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)，容易磨損閥芯和閥體腔。偏心球閥流場(chǎng)可視化仿真分析圖5計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)分析偏心球閥采用偏心閥體、偏心球和閥座，閥桿旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)自動(dòng)對(duì)中在共軌上，關(guān)閉過(guò)程越來(lái)越緊，從而達(dá)到良好的密封目的。閥門(mén)的球和閥座完全分離，消除了密封圈的磨損，克服了傳統(tǒng)球閥閥座和球密封面總是磨損的問(wèn)題。金屬座內(nèi)嵌非金屬?gòu)椥圆牧?，閥座金屬表面得到很好的保護(hù)。硬密封偏心半球閥專用

偏心半球閥模擬流場(chǎng)的應(yīng)用原理

1.對(duì)于需要清洗和埋地的石油、天然氣輸送主管道，應(yīng)選用全通徑、全焊接結(jié)構(gòu)的球閥；埋地安裝時(shí)，選擇全直徑焊接或法蘭球閥；管道，選用法蘭連接、焊接連接、全通或變徑球閥。

2.成品油管道和儲(chǔ)存設(shè)備應(yīng)采用法蘭連接的球閥。

3.城市煤氣和天然氣管道選用法蘭連接、內(nèi)螺紋連接的浮動(dòng)球閥。

4.在冶金系統(tǒng)的氧氣管道系統(tǒng)中，應(yīng)選用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格脫脂處理、法蘭連接的固定球閥。

5.對(duì)于低溫介質(zhì)的管道系統(tǒng)和裝置，應(yīng)選擇帶閥蓋的低溫球閥。

6.本發(fā)明可用于煉油裝置的催化裂化裝置的管道系統(tǒng)中。

7.化工系統(tǒng)中酸、堿等腐蝕性介質(zhì)的裝置和管道系統(tǒng)，應(yīng)選用奧氏體不銹鋼材質(zhì)、以PTFE為閥座密封圈的不銹鋼球閥。

8.金屬對(duì)金屬密封球閥可用于冶金系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、石油化工廠和城市供熱系統(tǒng)中高溫介質(zhì)的管道系統(tǒng)或裝置中。

9.當(dāng)需要調(diào)節(jié)流量時(shí)，可選擇蝸輪傳動(dòng)、氣動(dòng)或電動(dòng)調(diào)節(jié)V型開(kāi)口球閥。

硬質(zhì)偏心半球閥的應(yīng)用范圍

硬偏心半球閥的應(yīng)用范圍及其拓寬。硬質(zhì)偏心半球閥可用于水、蒸汽、油等系統(tǒng)。適用于大壩底部的放空閥和控制閥(高流量狀態(tài))，適用于泵類輸送系統(tǒng)的閥門(mén)，如增壓系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)等。

4.偏心半球閥模擬流場(chǎng)的結(jié)論

仿真結(jié)果表明，偏心半球閥在開(kāi)度大于45°時(shí)具有良好的流通性能。另外，從局部損失系數(shù)隨張角的變化趨勢(shì)可以看出，張角大于40°后，局部損失系數(shù)ξ趨于常數(shù)?？梢缘贸鼋Y(jié)論，這種偏心半球閥不能作為調(diào)節(jié)閥使用。它應(yīng)該只適用于全開(kāi)或全閉的工況。如果用偏心半球閥作為調(diào)節(jié)閥，容易損壞閥芯和閥體的結(jié)構(gòu)。使用時(shí)一定要了解其功能和適用范圍，以免造成不必要的傷害。