上海申弘閥門有限公司
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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日標不銹鋼截止閥標準，現(xiàn)在介紹偏心半球閥固有流量特性通過ICEM軟件，使用結構網格與非結構網格相結合的有限元法以及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部三維流場的流場圖以及通過計算描繪了相關的閥門固有流量特性等曲線，并進行了相應的分析。
1、偏心半球閥固有流量特性概述
閥門內部結構復雜，當流體通過閥門時會產生壓差，并成為影響管道局部水頭損失的主要因素。在閥門設計中，不僅注重結構形態(tài)，還需要研究不同類型不同結構閥門的內部流場的特殊性與差異性。偏心半球閥具有開關無摩擦，密封不易磨損，啟閉力矩小等優(yōu)點，可以減小所配執(zhí)行器的規(guī)格。配以多回轉電動執(zhí)行機構，可實現(xiàn)對介質的調節(jié)和嚴密切斷。因此廣泛適用于石油、化工、城市給排水等要求嚴格切斷的工況。本文通過運用Ansys等軟件，對DN250偏心半球閥在不同開度下的流場進行了數(shù)值模擬分析。以便為閥門安全與結構優(yōu)化設計提供參考。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥本產品為雙偏心式半球閥，是一種新型的閥門，是為解決溶液及礦漿等兩相流介質輸送中的技術難題而研制開發(fā)的定型產品。它的開發(fā)成功，為化工、石油、燃氣、冶金、電力、水利等工業(yè)部門溶液工藝流程中為易沉淀結垢、結晶、析出等而影響流程的困境中提供了可靠的控制閥門，為提高我國工業(yè)管理裝備水平提供了新型優(yōu)異產品。 本產品是在引進德國CANALI公司*技術的基礎上，消化吸收而研制的國產系列產品。其結構上采用偏心—楔緊原理，通過傳動機構達到楔緊、調節(jié)、啟閉的作用。其設計原理如下圖圓偏心及其展開平面上楔形角變化圖。 本產品結構新穎，性能穩(wěn)定，開啟迅速輕便、磨損自行補償，密封可靠耐用（密封副材料均采用了堆焊硬質合金），易于調整維修；直通式結構流通面積大，較截止閥、蝶閥等閥門阻尼小，系統(tǒng)壓降?。荒茏孕衅瞥Y垢、方便啟閉，無“死區(qū)”，克服了閘閥、球閥、截止閥等易結疤、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540℃。“鋒蝶牌”雙偏心半球閥系列產品，貫徹了國家GB9115.8.9.10.11-88系列法蘭連接尺寸標準，便于安裝及替代現(xiàn)有閥門品種，亦可根據(jù)用戶需要的聯(lián)接尺寸系列安排生產。本產品還可根據(jù)用戶需要，執(zhí)行操作機構制成蝸輪蝸桿、電動、氣動等，以適應不同工況條件下的需要。
雙偏心式半球閥具有下列優(yōu)點：
A．直通式：單向密封和偏心式結構，開啟時閥芯與閥座脫離，流 通不會出現(xiàn)積灰卡阻現(xiàn)象；
B.開關輕便：開啟時閥芯與閥座脫離，無任何接觸，啟動扭矩小， 轉動靈活，關閉時，半球與閥座的擠切作用能除去密封面上的結垢與粘連物，密封嚴緊可靠；
C．密封面的偏心結構使球面能自動補償磨損，保持閥門的密封性 能，使用壽命長，安全可靠，不會在使用一段時間后因磨損而產生泄漏；
D．閥門屬于硬密封結構，密封副可選用硬質合金，經過特殊處理 制成，流體不直接沖刷閥芯，故閥門耐磨損，壽命長。 半球閥是近年來我廠科研部門開發(fā)的*結晶產品，以其設計合理，結構*，具有流通阻力小，密封性能好，使用壽命長等特點。深得用戶好評。手動通用型半球閥更以其結構緊湊，啟閉輕便，操作力矩不大于35kg.m，深受廣大閥門操作工的歡迎；是廣泛用于管路控制上理想的通用型開關閥門。
2、計算流程
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，給部件添加幾何關系、約束，以便組成偏心半球閥真實的物理模型(圖1) 。
偏心半球閥流場的可視化仿真分析
圖1 偏心半球閥
2.2、結構簡化及網格化分
在閥門前后添加進口管道和出口管道。為了便于使用Ansys 中的Fluent 進行分析計算，對偏心半球閥的結構進行優(yōu)化，并適當簡化流動區(qū)域中的圓角和倒角，以加快計算的收斂率。由于閥前閥后幾何形狀簡單都為圓柱體，而閥體腔內部結構復雜，且閥芯結構復雜，所以，在使用ICEM 劃分網格時，對于閥前后的兩段圓柱體流域劃分結構網格，而對中間的復雜區(qū)域劃分自適應性比較好的非結構網格。因為結構網格和非結構網格劃分的方法不同，需要在兩種網格交界處建立交界面，即interface1 和interface2(圖2) 。
偏心半球閥流場的可視化仿真分析
圖2 開度為50°的偏心半球閥
2.3、分析方法
閥門內部為湍流，因此設置湍流模型為具有平衡壁面函數(shù)的k -ε 模型，對流項均采用二階迎風差分方式進行離散。內部區(qū)域設置為fluid，介質選擇為water -liquid。管道入口面設置為速度入口(velocity -inlet) ，速度矢量，沿Y 軸正向。管道出口面設置為出流(Out flow) 邊界條件。interface1 和interface2 設置為interior，其他壁面設置為wall。求解器選擇SIMPLE 算法，默認求解控制參數(shù)。流場初始化、設置殘差監(jiān)視器、設置迭代次數(shù)進行求解計算，500 次左右計算收斂。
3、計算分析
為了更好的研究偏心半球閥的流場特性，計算了閥門開啟角度從10°～90°，即從微開到全開，且每隔5°計算一次。共計17 個工況。雙偏心式半球閥，是一種新型的閥門，是為解決溶液及礦漿等兩相流介質輸送中的技術難題而研制開發(fā)的定型產品。它的開發(fā)成功，為化工、石油、燃氣、冶金、電力、水利等工業(yè)部門溶液工藝流程中為易沉淀結垢、結晶、析出等而影響流程的困境中提供了可靠的控制閥門，為提高我國工業(yè)管理裝備水平提供了新型優(yōu)異產品。 本產品是在引進德國CANALI公司*技術的基礎上，消化吸收而研制的國產系列產品。其結構上采用偏心—楔緊原理，通過傳動機構達到楔緊、調節(jié)、啟閉的作用。其設計原理如下圖圓偏心及其展開平面上楔形角變化圖。球閥是近年來在歐美發(fā)展zui快的閥類之一，相關工業(yè)技術的進步使得各種偏心球閥得以誕生。它通過轉動偏心軸，帶動固定在其上的球冠來達到閥門的啟閉。簡單、可靠的結構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，它經歷了十多年的時間考驗，并受到更多用戶的喜愛。
、技術參數(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，如加壓系統(tǒng)，中央空調系統(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、流場分析
在用Fluent 對閥門流域進行計算之后，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度下的速度變化(圖3，圖4) 。
偏心半球閥流場的可視化仿真分析
圖3 不同開度下Z = 0 平面的速度云圖
偏心半球閥流場的可視化仿真分析
圖4 不同開度下Y = 0 平面的速度云圖
當偏心半球閥開啟角度為10°( 微小開啟) 時，在閥芯開口邊緣處速度較大，但因為開度較小，速度大的區(qū)域較小，對閥體的沖擊也較小。但是此時可以看到在閥芯背面區(qū)域，有較小強度的漩渦形成。當偏心半球閥開啟角度為25°時，在閥芯開口邊緣處的速度依然較大，并且此時，速度大的區(qū)域增大，對閥芯和閥體的沖擊作用也較強。已能明顯的看出在閥芯背面形成了漩渦區(qū)域，流動極其復雜，對閥芯的影響也較大。當偏心半球閥開啟角度為45°或大于45°時，從速度云圖中可以看出，流經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，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)與壓降的關系式。
偏心半球閥流場的可視化仿真分析
取interface1 和interface2 計算閥門的壓力差，進而計算出閥門的局部損失系數(shù)。通過Fluent 中的面加權計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，閥門進出口的速度在開度較小時，速度值較大，對閥芯和閥體腔的沖刷作用較強，易磨損閥芯和閥體腔。
偏心半球閥流場的可視化仿真分析
圖5 計算結果數(shù)據(jù)分析
4、結語
模擬分析結果表明，偏心半球閥在開度大于45°時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 趨于一個常數(shù)。由此可以得出，此種偏心半球閥不能作為調節(jié)閥使用。應該是只適用于*開啟或*關閉兩種工況。如果將偏心半球閥用作調節(jié)閥，容易損壞閥芯和閥體的結構。因此閥門使用時一定要了解其功能及應用范圍，避免造成不必要的損壞。與本文相關的產品有不銹鋼波紋管密封安全閥
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