通過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，求解得到了不同開度下的偏心半球閥內(nèi)部三維流場的流場圖以及通過計(jì)算描繪了相關(guān)的閥門固有流量特性等曲線，并進(jìn)行了相應(yīng)的分析。

1、概述

　　閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當(dāng)流體通過閥門時(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)閥門的內(nèi)部流場的特殊性與差異性。偏心半球閥具有開關(guān)無摩擦，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。本文通過運(yùn)用Ansys等軟件，對DN250偏心半球閥在不同開度下的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。以便為閥門安全與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

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) 。

圖1 偏心半球閥

　　2.2、結(jié)構(gòu)簡化及網(wǎng)格化分

　　在閥門前后添加進(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，對偏心半球閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，并適當(dāng)簡化流動(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)，對于閥前后的兩段圓柱體流域劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而對中間的復(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) 。

圖2 開度為50°的偏心半球閥

　　2.3、分析方法

　　閥門內(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特性，計(jì)算了閥門開啟角度從10°～90°，即從微開到全開，且每隔5°計(jì)算一次。共計(jì)17 個(gè)工況。

　　3.1、流場分析

　　在用Fluent 對閥門流域進(jìn)行計(jì)算之后，為了便于更好的對比不同開度下的速度分布，統(tǒng)一設(shè)置速度云圖的最小值與最大值的范圍為0 ～6m /s。這樣可以更直觀的從顏色分布就可以看出最大速度出現(xiàn)的位置以及同一位置不同開度下的速度變化(圖3，圖4) 。

圖3 不同開度下Z = 0 平面的速度云圖

圖4 不同開度下Y = 0 平面的速度云圖

　　當(dāng)偏心半球閥開啟角度為10°( 微小開啟) 時(shí)，在閥芯開口邊緣處速度較大，但因?yàn)殚_度較小，速度大的區(qū)域較小，對閥體的沖擊也較小。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)偏心半球閥開啟角度為25°時(shí)，在閥芯開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，對閥芯的影響也較大。

　　當(dāng)偏心半球閥開啟角度為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，也沒有漩渦。

　　3.2、閥門損失系數(shù)

　　流體流過閥門時(shí)，流體的阻力損失以閥門前后的流體壓降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。

　　取interface1 和interface2 計(jì)算閥門的壓力差，進(jìn)而計(jì)算出閥門的局部損失系數(shù)。通過Fluent 中的面加權(quán)計(jì)算流域中重要截面的速度隨開度的變化曲線(圖5) 。

　　從圖5 中可以看出，閥門進(jìn)出口的速度在開度較小時(shí)，速度值較大，對閥芯和閥體腔的沖刷作用較強(qiáng)，易磨損閥芯和閥體腔。

圖5 計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)分析

4、結(jié)語

　　模擬分析結(jié)果表明，偏心半球閥在開度大于45°時(shí)具有較好的流通性能。另外從局部損失系數(shù)隨著開度的變化趨勢可以看出，開啟角度大于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)該是只適用于完全開啟或完全關(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。