上海申弘閥門(mén)有限公司
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偏心半球閥固有流量特性 偏心半球閥流量特性 球閥固有流量特性 雙偏心半球閥 半球閥
之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹偏心半球閥固有流量特性通過(guò)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(kāi)度下的偏心半球閥內(nèi)部三維流場(chǎng)的流場(chǎng)圖以及通過(guò)計(jì)算描繪了相關(guān)的閥門(mén)固有流量特性等曲線，并進(jìn)行了相應(yīng)的分析。
1、偏心半球閥固有流量特性概述
閥門(mén)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)流體通過(guò)閥門(mén)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(mén)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(mén)的內(nèi)部流場(chǎng)的特殊性與差異性。偏心半球閥具有開(kāi)關(guān)無(wú)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(guò)運(yùn)用Ansys等軟件，對(duì)DN250偏心半球閥在不同開(kāi)度下的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。以便為閥門(mén)安全與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：截止閥,電動(dòng)截止閥本產(chǎn)品為雙偏心式半球閥，是一種新型的閥門(mén)，是為解決溶液及礦漿等兩相流介質(zhì)輸送中的技術(shù)難題而研制開(kāi)發(fā)的定型產(chǎn)品。它的開(kāi)發(fā)成功，為化工、石油、燃?xì)?、冶金、電力、水利等工業(yè)部門(mén)溶液工藝流程中為易沉淀結(jié)垢、結(jié)晶、析出等而影響流程的困境中提供了可靠的控制閥門(mén)，為提高我國(guó)工業(yè)管理裝備水平提供了新型優(yōu)異產(chǎn)品。 本產(chǎn)品是在引進(jìn)德國(guó)CANALI公司*技術(shù)的基礎(chǔ)上，消化吸收而研制的國(guó)產(chǎn)系列產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)上采用偏心—楔緊原理，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到楔緊、調(diào)節(jié)、啟閉的作用。其設(shè)計(jì)原理如下圖圓偏心及其展開(kāi)平面上楔形角變化圖。 本產(chǎn)品結(jié)構(gòu)新穎，性能穩(wěn)定，開(kāi)啟迅速輕便、磨損自行補(bǔ)償，密封可靠耐用（密封副材料均采用了堆焊硬質(zhì)合金），易于調(diào)整維修；直通式結(jié)構(gòu)流通面積大，較截止閥、蝶閥等閥門(mén)阻尼小，系統(tǒng)壓降小；能自行破除結(jié)垢、方便啟閉，無(wú)“死區(qū)”，克服了閘閥、球閥、截止閥等易結(jié)疤、易堵塞、易泄漏、壽命短等弊端，顯示其*的*性。另：本閥可雙向承壓密封，使用溫度高達(dá)540℃。“鋒蝶牌”雙偏心半球閥系列產(chǎn)品，貫徹了國(guó)家GB9115.8.9.10.11-88系列法蘭連接尺寸標(biāo)準(zhǔn)，便于安裝及替代現(xiàn)有閥門(mén)品種，亦可根據(jù)用戶需要的聯(lián)接尺寸系列安排生產(chǎn)。本產(chǎn)品還可根據(jù)用戶需要，執(zhí)行操作機(jī)構(gòu)制成蝸輪蝸桿、電動(dòng)、氣動(dòng)等，以適應(yīng)不同工況條件下的需要。
雙偏心式半球閥具有下列優(yōu)點(diǎn)：
A．直通式：?jiǎn)蜗蛎芊夂推氖浇Y(jié)構(gòu)，開(kāi)啟時(shí)閥芯與閥座脫離，流 通不會(huì)出現(xiàn)積灰卡阻現(xiàn)象；
B.開(kāi)關(guān)輕便：開(kāi)啟時(shí)閥芯與閥座脫離，無(wú)任何接觸，啟動(dòng)扭矩小， 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，關(guān)閉時(shí)，半球與閥座的擠切作用能除去密封面上的結(jié)垢與粘連物，密封嚴(yán)緊可靠；
C．密封面的偏心結(jié)構(gòu)使球面能自動(dòng)補(bǔ)償磨損，保持閥門(mén)的密封性 能，使用壽命長(zhǎng)，安全可靠，不會(huì)在使用一段時(shí)間后因磨損而產(chǎn)生泄漏；
D．閥門(mén)屬于硬密封結(jié)構(gòu)，密封副可選用硬質(zhì)合金，經(jīng)過(guò)特殊處理 制成，流體不直接沖刷閥芯，故閥門(mén)耐磨損，壽命長(zhǎng)。 半球閥是近年來(lái)我廠科研部門(mén)開(kāi)發(fā)的*結(jié)晶產(chǎn)品，以其設(shè)計(jì)合理，結(jié)構(gòu)*，具有流通阻力小，密封性能好，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。深得用戶好評(píng)。手動(dòng)通用型半球閥更以其結(jié)構(gòu)緊湊，啟閉輕便，操作力矩不大于35kg.m，深受廣大閥門(mén)操作工的歡迎；是廣泛用于管路控制上理想的通用型開(kāi)關(guān)閥門(mén)。
2、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(chǎng)的可視化仿真分析
圖1 偏心半球閥
2.2、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化及網(wǎng)格化分
在閥門(mén)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(jiǎn)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(jiǎn)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(chǎng)的可視化仿真分析
圖2 開(kāi)度為50°的偏心半球閥
2.3、分析方法
閥門(mén)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(chǎng)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(chǎng)特性，計(jì)算了閥門(mén)開(kāi)啟角度從10°～90°，即從微開(kāi)到全開(kāi)，且每隔5°計(jì)算一次。共計(jì)17 個(gè)工況。雙偏心式半球閥，是一種新型的閥門(mén)，是為解決溶液及礦漿等兩相流介質(zhì)輸送中的技術(shù)難題而研制開(kāi)發(fā)的定型產(chǎn)品。它的開(kāi)發(fā)成功，為化工、石油、燃?xì)?、冶金、電力、水利等工業(yè)部門(mén)溶液工藝流程中為易沉淀結(jié)垢、結(jié)晶、析出等而影響流程的困境中提供了可靠的控制閥門(mén)，為提高我國(guó)工業(yè)管理裝備水平提供了新型優(yōu)異產(chǎn)品。 本產(chǎn)品是在引進(jìn)德國(guó)CANALI公司*技術(shù)的基礎(chǔ)上，消化吸收而研制的國(guó)產(chǎn)系列產(chǎn)品。其結(jié)構(gòu)上采用偏心—楔緊原理，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)到楔緊、調(diào)節(jié)、啟閉的作用。其設(shè)計(jì)原理如下圖圓偏心及其展開(kāi)平面上楔形角變化圖。球閥是近年來(lái)在歐美發(fā)展zui快的閥類之一，相關(guān)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步使得各種偏心球閥得以誕生。它通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心軸，帶動(dòng)固定在其上的球冠來(lái)達(dá)到閥門(mén)的啟閉。簡(jiǎn)單、可靠的結(jié)構(gòu)形式及有效的密封方式，使它比閘閥、蝶閥等傳統(tǒng)閥更具優(yōu)勢(shì)，它經(jīng)歷了十多年的時(shí)間考驗(yàn)，并受到更多用戶的喜愛(ài)。
、技術(shù)參數(shù)：
1、使用范圍：
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(mén)，如加壓系統(tǒng)，中央空調(diào)系統(tǒng)?？膳渲贸砂踩y、流量控制閥、爆管閥、減壓閥等。適用于自來(lái)水系統(tǒng)，煤氣系統(tǒng)、天然氣系統(tǒng)等地下管線（高度小）。
2、工作壓力（MPa）：PN1.0、PN1.6、PN2.5、PN4.0
3、使用溫度：﹣10℃～120℃
4、通徑：DN50～2600mm
3.1、流場(chǎng)分析
在用Fluent 對(duì)閥門(mén)流域進(jìn)行計(jì)算之后，為了便于更好的對(duì)比不同開(kāi)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(kāi)度下的速度變化(圖3，圖4) 。
偏心半球閥流場(chǎng)的可視化仿真分析
圖3 不同開(kāi)度下Z = 0 平面的速度云圖
偏心半球閥流場(chǎng)的可視化仿真分析
圖4 不同開(kāi)度下Y = 0 平面的速度云圖
當(dāng)偏心半球閥開(kāi)啟角度為10°( 微小開(kāi)啟) 時(shí)，在閥芯開(kāi)口邊緣處速度較大，但因?yàn)殚_(kāi)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(kāi)啟角度為25°時(shí)，在閥芯開(kāi)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(kāi)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(méi)有漩渦。
3.2、閥門(mén)損失系數(shù)
流體流過(guò)閥門(mén)時(shí)，流體的阻力損失以閥門(mén)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(chǎng)的可視化仿真分析
取interface1 和interface2 計(jì)算閥門(mén)的壓力差，進(jìn)而計(jì)算出閥門(mén)的局部損失系數(shù)。通過(guò)Fluent 中的面加權(quán)計(jì)算流域中重要截面的速度隨開(kāi)度的變化曲線(圖5) 。
從圖5 中可以看出，閥門(mén)進(jìn)出口的速度在開(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)，易磨損閥芯和閥體腔。
偏心半球閥流場(chǎng)的可視化仿真分析
圖5 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)分析
4、結(jié)語(yǔ)
模擬分析結(jié)果表明，偏心半球閥在開(kāi)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(kāi)度的變化趨勢(shì)可以看出，開(kāi)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(kāi)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(mén)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。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥
