1.偏心半球閥流場模擬綜述

美國MILLER(米勒)閥門的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很復雜。當流體通過閥門時，會產(chǎn)生壓差，這將成為影響管道局部水頭損失的主要因素。在閥門的設(shè)計中，不僅要注意結(jié)構(gòu)形式，還要研究不同類型和結(jié)構(gòu)的閥門內(nèi)部流場的特殊性和差異性。偏心球閥具有開關(guān)無摩擦、密封磨損小、啟閉扭矩小的優(yōu)點，可降低執(zhí)行機構(gòu)的規(guī)格。多旋轉(zhuǎn)電動執(zhí)行機構(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格截止的工況。本文利用Ansys等軟件對DN250偏心球閥在不同開度下的流場進行了數(shù)值模擬和分析。從而為閥門的安全性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。2.模擬流場的偏心半球閥計算流程

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物理模型(圖1)。偏心球閥流場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:主要針對磨損嚴重的介質(zhì)。上置式結(jié)構(gòu)對于損壞的啟閉部件的更換和維修非常方便，不需要將整個閥門從管道上拆下來，大大節(jié)省了維修時間和成本。

2.側(cè)裝式:側(cè)裝式結(jié)構(gòu)緊湊，閥門重量輕，適用于需要閥門安裝空間的場合。

模擬流場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，通過傳動機構(gòu)達到鎖緊、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)的閥芯開啟時位于儲球室內(nèi)，過流截面大，關(guān)閉時閥芯不被沖刷。開啟時，閥芯球面逐漸沿閥座，有效清除結(jié)垢障礙，實現(xiàn)可靠密封。對于易結(jié)垢固體沉淀的兩相混流的混流輸送特別有效。

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

3、密封嚴密，輸送有害氣體可達到零泄漏。

4.密封副的閥芯具有補償量。閥門磨損時，關(guān)閉時會轉(zhuǎn)動一點，使其密封可靠，使用壽命延長。此外，用戶擰下壓緊螺母，調(diào)整或更換后閥座仍可使用，避免了閥門密封失效后整個閥門報廢的缺陷。圖1偏心半球閥

2.2.結(jié)構(gòu)簡化和網(wǎng)格化

在閥門前后添加進水管和出水管。為了便于利用Ansys中的Fluent進行分析計算，對偏心半球閥的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，并對過流區(qū)的圓角和倒角進行了適當?shù)暮喕?，以加快計算的收斂速度。由于閥門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)復雜，閥芯結(jié)構(gòu)復雜，因此在使用ICEM進行網(wǎng)格劃分時，對閥門前后的兩個圓柱盆劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對中間的復雜區(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)。偏心球閥流場可視化仿真分析圖2開度為50°的偏心球閥

2.3.解析法

閥門內(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，對流項采用二階迎風差分法離散。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”。求解器選擇簡單算法，控制參數(shù)默認求解。初始化流場，設(shè)置殘差監(jiān)視器，設(shè)置迭代次數(shù)進行求解計算，大約500次后計算收斂。

3.偏心半球閥模擬流場的計算與分析

為了更好地研究偏心半球閥的流場特性，閥門開啟角度從10°到90°計算，即從微開到全開，每隔5度計算一次。共17種工況。

3.1.流場分析

用Fluent計算閥盆后，為了更好的比較不同開度下的速度分布，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)的位置以及不同開度下同一位置的速度變化(圖3，圖4)。偏心球閥流場可視化仿真分析圖3不同開度下偏心球閥在Z=0平面內(nèi)的流場可視化仿真分析圖4不同開度下Y=0平面的速度云當偏心球閥開度為10°時(微開)，閥芯開口邊緣處速度較高，但由于開度較小，速度較高的區(qū)域較小，對閥體的影響也較小。但此時可以看到，在閥芯后部區(qū)域有一個低強度的渦流。

當偏心半球閥的開啟角度為25°時，閥芯開口邊緣的流速仍然較高，此時流速較高的區(qū)域增大，對閥芯和閥體的沖擊也較強?？梢郧宄乜吹剑y芯背面形成一個渦流區(qū)，流動極其復雜，對閥芯影響很大。

當偏心半球閥的開啟角度為45°或更大時，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，沒有渦流。

3.2、閥門損失系數(shù)

當流體流經(jīng)閥門時，流體的阻力損失用閥門前后的流體壓降δp來表示。根據(jù)水頭損失和局部損失系數(shù)，可以推導出局部損失系數(shù)與壓降的關(guān)系。偏心球閥接口1和接口2的流場可視化仿真分析用于計算閥門的壓差，進而計算閥門的局部損失系數(shù)。在Fluent中通過面加權(quán)計算出流域重要斷面流速隨開口變化的曲線(圖5)。

從圖5可以看出，當閥門進出口開度較小時，速度值較大，對閥芯和閥體腔的沖刷作用較強，容易磨損閥芯和閥體腔。偏心球閥流場可視化仿真分析圖5計算結(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)時會自動對中在共軌上，關(guān)閉過程越來越緊，從而達到良好的密封目的。閥門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題。金屬座內(nèi)嵌非金屬彈性材料，閥座金屬表面得到很好的保護。硬密封偏心半球閥專用

偏心半球閥模擬流場的應(yīng)用原理

1.對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，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)過嚴格脫脂處理、法蘭連接的固定球閥。

5.對于低溫介質(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.當需要調(diào)節(jié)流量時，可選擇蝸輪傳動、氣動或電動調(diào)節(jié)V型開口球閥。

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，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的結(jié)論

仿真結(jié)果表明，偏心半球閥在開度大于45°時具有良好的流通性能。另外，從局部損失系數(shù)隨張角的變化趨勢可以看出，張角大于40°后，局部損失系數(shù)ξ趨于常數(shù)。可以得出結(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)。使用時一定要了解其功能和適用范圍，以免造成不必要的傷害。