偏心半球阀流场的可视化仿真分析

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海理工大学能源与动力工程学院 作者:李少争

  通过ICEM软件,使用结构网格与非结构网格相结合的有限元法以及Fluent 软件中基于各向同性涡粘性理论的k-ε双方程模式,求解得到了不同开度下的偏心半球阀内部三维流场的流场图以及通过计算描绘了相关的阀门固有流量特性等曲线,并进行了相应的分析。

1、概述

  阀门内部结构复杂,当流体通过阀门时会产生压差,并成为影响管道局部水头损失的主要因素。在阀门设计中,不仅注重结构形态,还需要研究不同类型不同结构阀门的内部流场的特殊性与差异性。偏心半球阀具有开关无摩擦,密封不易磨损,启闭力矩小等优点,可以减小所配执行器的规格。配以多回转电动执行机构,可实现对介质的调节和严密切断。因此广泛适用于石油、化工、城市给排水等要求严格切断的工况。本文通过运用Ansys等软件,对DN250偏心半球阀在不同开度下的流场进行了数值模拟分析。以便为阀门安全与结构优化设计提供参考。

2、计算流程

  2.1、物理模型

  使用SolidWorks2014 三维软件,按照1: 1的比例分别构建偏心半球阀的所有组成部件的物理模型,利用SolidWorks中的装配体版块,给部件添加几何关系、约束,以便组成偏心半球阀真实的物理模型(图1) 。

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图1 偏心半球阀

  2.2、结构简化及网格化分

  在阀门前后添加进口管道和出口管道。为了便于使用Ansys 中的Fluent 进行分析计算,对偏心半球阀的结构进行优化,并适当简化流动区域中的圆角和倒角,以加快计算的收敛率。由于阀前阀后几何形状简单都为圆柱体,而阀体腔内部结构复杂,且阀芯结构复杂,所以,在使用ICEM 划分网格时,对于阀前后的两段圆柱体流域划分结构网格,而对中间的复杂区域划分自适应性比较好的非结构网格。因为结构网格和非结构网格划分的方法不同,需要在两种网格交界处建立交界面,即interface1 和interface2(图2) 。

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图2 开度为50°的偏心半球阀

  2.3、分析方法

  阀门内部为湍流,因此设置湍流模型为具有平衡壁面函数的k -ε 模型,对流项均采用二阶迎风差分方式进行离散。内部区域设置为fluid,介质选择为water -liquid。管道入口面设置为速度入口(velocity -inlet) ,速度矢量,沿Y 轴正向。管道出口面设置为出流(Out flow) 边界条件。interface1 和interface2 设置为interior,其他壁面设置为wall。求解器选择SIMPLE 算法,默认求解控制参数。流场初始化、设置残差监视器、设置迭代次数进行求解计算,500 次左右计算收敛。

3、计算分析

  为了更好的研究偏心半球阀的流场特性,计算了阀门开启角度从10°~90°,即从微开到全开,且每隔5°计算一次。共计17 个工况。

  3.1、流场分析

  在用Fluent 对阀门流域进行计算之后,为了便于更好的对比不同开度下的速度分布,统一设置速度云图的最小值与最大值的范围为0 ~6m /s。这样可以更直观的从颜色分布就可以看出最大速度出现的位置以及同一位置不同开度下的速度变化(图3,图4) 。

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图3 不同开度下Z = 0 平面的速度云图

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图4 不同开度下Y = 0 平面的速度云图

  当偏心半球阀开启角度为10°( 微小开启) 时,在阀芯开口边缘处速度较大,但因为开度较小,速度大的区域较小,对阀体的冲击也较小。但是此时可以看到在阀芯背面区域,有较小强度的漩涡形成。

  当偏心半球阀开启角度为25°时,在阀芯开口边缘处的速度依然较大,并且此时,速度大的区域增大,对阀芯和阀体的冲击作用也较强。已能明显的看出在阀芯背面形成了漩涡区域,流动极其复杂,对阀芯的影响也较大。

  当偏心半球阀开启角度为45°或大于45°时,从速度云图中可以看出,流经阀芯的流体速度分布较为均匀,并且速度不是很大,也没有漩涡。

  3.2、阀门损失系数

  流体流过阀门时,流体的阻力损失以阀门前后的流体压降Δp 表示。根据水头损失和局部损失系数可以推出局部损失系数与压降的关系式。

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  取interface1 和interface2 计算阀门的压力差,进而计算出阀门的局部损失系数。通过Fluent 中的面加权计算流域中重要截面的速度随开度的变化曲线(图5) 。

  从图5 中可以看出,阀门进出口的速度在开度较小时,速度值较大,对阀芯和阀体腔的冲刷作用较强,易磨损阀芯和阀体腔。

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图5 计算结果数据分析

4、结语

  模拟分析结果表明,偏心半球阀在开度大于45°时具有较好的流通性能。另外从局部损失系数随着开度的变化趋势可以看出,开启角度大于40°之后,局部损失系数ξ 趋于一个常数。由此可以得出,此种偏心半球阀不能作为调节阀使用。应该是只适用于完全开启或完全关闭两种工况。如果将偏心半球阀用作调节阀,容易损坏阀芯和阀体的结构。因此阀门使用时一定要了解其功能及应用范围,避免造成不必要的损坏。

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