偏心半球阀流场数值模拟与分析

    偏心半球阀以其开启力小，关闭时能破除结垢障碍，流体阻力小等优点，得到广泛的应用。在偏心半球阀试验和使用过程中难以观察流体在阀体内部流场的分布情况，对数据进行检测难以实现，因此开展阀门流体流场的数值模拟分析，对设计和产品结构优化具有重要意义。本文运用Ansys软件，对某氧化铝企业使用的DN500半球阀在不同工况下进行了数值模拟分析。以流体在半球阀阀瓣不同开度下的流体分析为依据，改变阀瓣结构，实现半球阀的优化设计。

    2 流程分析

    2.1 控制方程

    假设半球阀内部流动介质为水。为了便于建立数学模型，对阀腔内流域做出假设。①假设流域为稳态不可压缩非粘性流动过程。②假设液固界面为滑移边界，即边界处速度为0，且k=0，ε=0。

    2.2 数学模型

    阀腔内的流体流动是一个复杂的湍流流动过程，其重要特征是不规则性、耗散性、旋流性和扩散性。描述流体在阀腔内流动的数学模型为动量方程、连续性方程、质量守恒定律和能量守恒定律（式1～4）

    式中ρ———介质密度，kg/m³

    P———压力，MPa

    u、υ 、w ———速度矢量    

    k———紊流动能，J

    ε———耗散率，m²/s

    υ_i———紊流粘度，Pa·s

    υ_t=CμK²/ε

    G_K———由于平均速度梯度引起的紊流动能产生项

    σ_k、σ_ε ———与紊流动能和耗散率对应的Pr数

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    2.3 流道模型及网格划分

    为了计算便捷，取半球阀的阀体内腔作为计算域。分析中使用FLUID141单元进行分析计算。采用自适应的网格技术对流场进行调整使其模拟出更加精细的流动。

    2.4 计算方法

    采用不可压缩流动雷诺时均方程组，紊流模型采用标准的κ－ε模型。所有方程中的对流项均用二阶迎风格式离散。离散方程的求解采用压力耦合方程组的半隐式方法。给定管道进口速度假设为υ=1.5m/s，介质为水，介质密度为ρ=1000kg/m³，出口边界条件为p=0MPa，液固界面为滑移边界，即边界处速度V=0m/s。

    3 计算结果

    为了研究半球阀的流场特性，设定阀门开度为10% 、45% 、100% 的典型工况，模拟阀门微开、半开和全开3种典型状态的流场工况。

    3.1 改进前流场分析（图1）

    半球阀开度为10%时，阀瓣后部介质流速较小，水流几乎被堵住，上下两处狭窄过流区域的流速较大，但是区域比较小。由于流体在上下两侧的过流，导致阀瓣前部靠边侧的局部流速过大，对阀瓣边侧造成局部的冲击。在阀瓣侧面产生较大冲击力，导致半球阀会有明显的振动且阀门启闭力矩较大。

    半球阀开度为45%时，由于阀瓣的阻碍，介质流速分布呈明显不均匀性，在过流的上下区域，流速明显增加，并形成涡流。速度较大区域集中在阀瓣侧面区域部分，形成对阀座的较大冲击。由于阀瓣背面存在均布的低压区域，且上侧流速较小，从阀瓣下侧过流的流体向上侧流动，由于阀瓣背面的阻碍，在阀瓣背面形成较大的漩涡。

    蝶阀全开时，介质过流速度较大，整个流态较平稳。由于全开时阀芯处于阀体边侧，对流体的影响较小。

（a）开度 10% （b）开度 45% （c）开度 100%

图1 改进前半球阀不同开度时流场速度面域分布

    3.2 改进后流场分析    

    为了改善半球阀流场状况，减少过流损失，对阀瓣做了局部改进。在不影响阀瓣刚度的前提下，将阀瓣前部的弧度改为平面形状，以此改进流场形状（图2）。    

（a）开度 10% （b）开度 45% （c）开度 100%

图2 改进后半球阀不同开度时流场速度面域分布

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    半球阀开度为10%时，前部的介质流速最大值主要集中在阀瓣中间部分，在阀瓣偏侧产生的冲击力明显减小，使半球阀的启闭力矩较小且振动也减小。

    半球阀开度为45%时，由于两侧的过流流体的速度梯度较小，阀瓣背后的涡流几乎消失，阀瓣下部的涡流区域也明显变小，整个流场的状况明显得到改善。

    半球阀开度为100%时，介质过流比较顺畅，流速分布较均匀，流态较平稳，上下两侧几乎成对称态势，整个流道内流速无明显增加，压力局部损失明显减小。流场的最高流速比改进前在数值上有所减小。如果结合压力分布图分析，局部压力梯度明显减少。

    3.3 流阻系数

    流体通过阀门时，其流体阻力损失以阀门前后的流体压力降Δp表示。

        （5）

    得出

    式中Δp ———被测阀门的压力损失，MPa

    ξ———阀门的流阻系数

    u———流体在管道内的平均流速（表1），m/s

表1 半球阀改进前后出口平均流速对比  m/s

    4 结语

    从流场模拟结果分析可知，半球阀在开度45%～ 100% 之间时，过流状态良好。在开度小于45%时，由于两侧过流速度梯度较大，阀瓣背后产生涡流。在阀瓣前部由圆弧改为平面后，45% 开度时，由于两侧过流速度梯度变小，阀瓣背后的涡流明显减小。过流冲击带来的振动也有所降低。阀瓣改进后，阀门流阻系数明显减小，更有利于流体在流道内通过，在100%开度时，流阻系数减少约18%，效果明显。因此在不影响阀瓣强度的情况下，阀瓣前端面由圆弧改为平面，可以提高半球阀的工作效率。