偏心半球閥流場(chǎng)數(shù)值模擬與分析

1、偏心半球閥流場(chǎng)數(shù)值模擬與分析 運(yùn)用有限元分析軟件Ansys，對(duì)DN500偏心半球閥不同開度情況下的流場(chǎng)形式開展了數(shù)值模擬分析。根據(jù)分析結(jié)果對(duì)偏心半球閥閥瓣構(gòu)造開展了改良。改良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(chǎng)的分布情況，對(duì)數(shù)據(jù)開展檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)，因此開展閥門流體流場(chǎng)的數(shù)值模擬分析，對(duì)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品構(gòu)造優(yōu)化具有重要意義。本文運(yùn)用Ansys軟件，對(duì)某氧化鋁企業(yè)使用的DN500半球閥在不同工況下開展了數(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

2、依據(jù)，改變閥瓣構(gòu)造，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(duì)閥腔內(nèi)流域做出假設(shè)。假設(shè)流域?yàn)榉€(wěn)態(tài)不可壓縮非粘性流動(dòng)過程。假設(shè)液固界面為滑移邊界，即邊界處速度為0，且k=0，=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14) 式中介質(zhì)密度，kg/m3 P壓力，MPa u、 、w 速度矢量 k紊流動(dòng)能，J 耗散率，m2/s i紊流粘度，Pas t=CK2/ GK由于平均速度梯度引起

3、的紊流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng) k、 與紊流動(dòng)能和耗散率對(duì)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單元開展分析計(jì)算。采用自適應(yīng)的網(wǎng)格技術(shù)對(duì)流場(chǎng)開展調(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-模型。所有方程中的對(duì)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=1.5m/s，介質(zhì)為水，介質(zhì)密度為=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(chǎng)特性，設(shè)定閥門

4、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(chǎng)工況。 3.1、改良前流場(chǎng)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(duì)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(duì)閥座的較大沖擊。由于閥瓣反面存在均布的低壓區(qū)域，且上

5、側(cè)流速較小，從閥瓣下側(cè)過流的流體向上側(cè)流動(dòng)，由于閥瓣反面的阻礙，在閥瓣反面形成較大的漩渦。 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(duì)流體的影響較小。 (a)開度 10% (b)開度 45% (c)開度 100% 圖1 改良前半球閥不同開度時(shí)流場(chǎng)速度面域分布 3.2、改良后流場(chǎng)分析 為了改善半球閥流場(chǎng)狀況，減少過流損失，對(duì)閥瓣做了局部改良。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，以此改良流場(chǎng)形狀(圖2)。 (a)開度 10% (b)開度 45% (c)開度 100% 圖2 改良后半球閥不同開度時(shí)流場(chǎng)速度面域分布 半球閥開度為10%時(shí)，前部的介質(zhì)

6、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(chǎng)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(duì)稱態(tài)勢(shì)，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(chǎng)的最高流速比改良前在數(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p表示。 (5) 得出 式中p 被測(cè)閥門的壓力損失，MPa 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 半球閥改良前后出口平均流速比照 m/s 4、結(jié)語 從流場(chǎng)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