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      偏心半球閥流場(chǎng)數(shù)值模擬與分析

      2016年11月02日 09:00:05人氣:921來(lái)源:浙江科眾閥門有限公司

      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(guò)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)進(jìn)行檢測(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)品結(jié)構(gòu)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(duì)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(guò)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。
      2.3 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(duì)流場(chǎng)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(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(chǎng)特性,設(shè)定閥門開度為10% 、45% 、* 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 改進(jìn)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(guò)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(guò)流,導(dǎo)致閥瓣前部靠邊側(cè)的局部流速過(guò)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(guò)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(guò)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。
      3.2 改進(jìn)后流場(chǎng)分析
      為了改善半球閥流場(chǎng)狀況,減少過(guò)流損失,對(duì)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(chǎng)形狀
      半球閥開度為10%時(shí),前部的介質(zhì)流速zui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(guò)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*時(shí),介質(zhì)過(guò)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(wú)明顯增加,壓力局部損失明顯減小。流場(chǎng)的zui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(guò)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(cè)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(duì)比 m/s

      4 結(jié)語(yǔ)

      從流場(chǎng)模擬結(jié)果分析可知,半球閥在開度45%~ * 之間時(shí),過(guò)流狀態(tài)良好。在開度小于45%時(shí),由于兩側(cè)過(guò)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(guò)流速度梯度變小,閥瓣背后的渦流明顯減小。過(guò)流沖擊帶來(lái)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(guò),在*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。

      關(guān)鍵詞:偏心半球閥半球閥
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