運(yùn)用有限元分析軟件Ansys，對DN500偏心半球閥不同開度情況下的流場形式進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。根據(jù)分析結(jié)果對偏心半球閥閥瓣結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)后的偏心半球閥流阻系數(shù)減低，流通性能提高。

1、概述

　　偏心半球閥以其開啟力小，關(guān)閉時(shí)能破除結(jié)垢障礙，流體阻力小等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。在偏心半球閥試驗(yàn)和使用過程中難以觀察流體在閥體內(nèi)部流場的分布情況，對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測難以實(shí)現(xiàn)，因此開展閥門流體流場的數(shù)值模擬分析，對設(shè)計(jì)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。本文運(yùn)用Ansys軟件，對某氧化鋁企業(yè)使用的DN500半球閥在不同工況下進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。以流體在半球閥閥瓣不同開度下的流體分析為依據(jù)，改變閥瓣結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)半球閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2、流程分析

　　2.1、控制方程

　　假設(shè)半球閥內(nèi)部流動(dòng)介質(zhì)為水。為了便于建立數(shù)學(xué)模型，對閥腔內(nèi)流域做出假設(shè)。①假設(shè)流域?yàn)榉�(wěn)態(tài)不可壓縮非粘性流動(dòng)過程。②假設(shè)液固界面為滑移邊界，即邊界處速度為0，且k=0，ε=0。

　　2.2、數(shù)學(xué)模型

　　閥腔內(nèi)的流體流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的湍流流動(dòng)過程，其重要特征是不規(guī)則性、耗散性、旋流性和擴(kuò)散性。描述流體在閥腔內(nèi)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律(式1～4)

　　式中ρ———介質(zhì)密度，kg/m3

　　P———壓力，MPa

　　u、υ 、w ———速度矢量

　　k———紊流動(dòng)能，J

　　ε———耗散率，m2/s

　　υi———紊流粘度，Pa·s

　　υt=CμK2/ε

　　GK———由于平均速度梯度引起的紊流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)

　　σk、σε ———與紊流動(dòng)能和耗散率對應(yīng)的Pr數(shù)

　　2.3、流道模型及網(wǎng)格劃分

　　為了計(jì)算便捷，取半球閥的閥體內(nèi)腔作為計(jì)算域。分析中使用FLUID141單元進(jìn)行分析計(jì)算。采用自適應(yīng)的網(wǎng)格技術(shù)對流場進(jìn)行調(diào)整使其模擬出更加精細(xì)的流動(dòng)。

　　2.4、計(jì)算方法

　　采用不可壓縮流動(dòng)雷諾時(shí)均方程組，紊流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型。所有方程中的對流項(xiàng)均用二階迎風(fēng)格式離散。離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法。給定管道進(jìn)口速度假設(shè)為υ=1.5m/s，介質(zhì)為水，介質(zhì)密度為ρ=1000kg/m3，出口邊界條件為p=0MPa，液固界面為滑移邊界，即邊界處速度V=0m/s。

3、計(jì)算結(jié)果

　　為了研究半球閥的流場特性，設(shè)定閥門開度為10% 、45% 、100% 的典型工況，模擬閥門微開、半開和全開3種典型狀態(tài)的流場工況。

　　3.1、改進(jìn)前流場分析(圖1)

　　半球閥開度為10%時(shí)，閥瓣后部介質(zhì)流速較小，水流幾乎被堵住，上下兩處狹窄過流區(qū)域的流速較大，但是區(qū)域比較小。由于流體在上下兩側(cè)的過流，導(dǎo)致閥瓣前部靠邊側(cè)的局部流速過大，對閥瓣邊側(cè)造成局部的沖擊。在閥瓣側(cè)面產(chǎn)生較大沖擊力，導(dǎo)致半球閥會(huì)有明顯的振動(dòng)且閥門啟閉力矩較大。

　　半球閥開度為45%時(shí)，由于閥瓣的阻礙，介質(zhì)流速分布呈明顯不均勻性，在過流的上下區(qū)域，流速明顯增加，并形成渦流。速度較大區(qū)域集中在閥瓣側(cè)面區(qū)域部分，形成對閥座的較大沖擊。由于閥瓣背面存在均布的低壓區(qū)域，且上側(cè)流速較小，從閥瓣下側(cè)過流的流體向上側(cè)流動(dòng)，由于閥瓣背面的阻礙，在閥瓣背面形成較大的漩渦。

　　蝶閥全開時(shí)，介質(zhì)過流速度較大，整個(gè)流態(tài)較平穩(wěn)。由于全開時(shí)閥芯處于閥體邊側(cè)，對流體的影響較小。

(a)開度 10% (b)開度 45% (c)開度 100%

圖1 改進(jìn)前半球閥不同開度時(shí)流場速度面域分布

　　3.2、改進(jìn)后流場分析

　　為了改善半球閥流場狀況，減少過流損失，對閥瓣做了局部改進(jìn)。在不影響閥瓣剛度的前提下，將閥瓣前部的弧度改為平面形狀，以此改進(jìn)流場形狀(圖2)。

(a)開度 10% (b)開度 45% (c)開度 100%

圖2 改進(jìn)后半球閥不同開度時(shí)流場速度面域分布

　　半球閥開度為10%時(shí)，前部的介質(zhì)流速最大值主要集中在閥瓣中間部分，在閥瓣偏側(cè)產(chǎn)生的沖擊力明顯減小，使半球閥的啟閉力矩較小且振動(dòng)也減小。

　　半球閥開度為45%時(shí)，由于兩側(cè)的過流流體的速度梯度較小，閥瓣背后的渦流幾乎消失，閥瓣下部的渦流區(qū)域也明顯變小，整個(gè)流場的狀況明顯得到改善。

　　半球閥開度為100%時(shí)，介質(zhì)過流比較順暢，流速分布較均勻，流態(tài)較平穩(wěn)，上下兩側(cè)幾乎成對稱態(tài)勢，整個(gè)流道內(nèi)流速無明顯增加，壓力局部損失明顯減小。流場的最高流速比改進(jìn)前在數(shù)值上有所減小。如果結(jié)合壓力分布圖分析，局部壓力梯度明顯減少。

　　3.3、流阻系數(shù)

　　流體通過閥門時(shí)，其流體阻力損失以閥門前后的流體壓力降Δp表示。

　(5)

　　得出

　　式中Δp ———被測閥門的壓力損失，MPa

　　ξ———閥門的流阻系數(shù)

　　u———流體在管道內(nèi)的平均流速(表1)，m/s

　　表1 半球閥改進(jìn)前后出口平均流速對比 m/s

4、結(jié)語

　　從流場模擬結(jié)果分析可知，半球閥在開度45%～ 100% 之間時(shí)，過流狀態(tài)良好。在開度小于45%時(shí)，由于兩側(cè)過流速度梯度較大，閥瓣背后產(chǎn)生渦流。在閥瓣前部由圓弧改為平面后，45% 開度時(shí)，由于兩側(cè)過流速度梯度變小，閥瓣背后的渦流明顯減小。過流沖擊帶來的振動(dòng)也有所降低。閥瓣改進(jìn)后，閥門流阻系數(shù)明顯減小，更有利于流體在流道內(nèi)通過，在100%開度時(shí)，流阻系數(shù)減少約18%，效果明顯。因此在不影響閥瓣強(qiáng)度的情況下，閥瓣前端面由圓弧改為平面，可以提高半球閥的工作效率。