1.偏心半球閥流場模擬綜述

美國MILLER(米勒)閥門的內部結構很復雜。當流體通過閥門時，會產生壓差，這將成為影響管道局部水頭損失的主要因素。在閥門的設計中，不僅要注意結構形式，還要研究不同類型和結構的閥門內部流場的特殊性和差異性。偏心球閥具有開關無摩擦、密封磨損小、啟閉扭矩小的優點，可降低執行機構的規格。多旋轉電動執行機構，介質可調，切斷緊密。因此廣泛應用于石油、化工、城市給排水等需要嚴格截止的工況。本文利用Ansys等軟件對DN250偏心球閥在不同開度下的流場進行了數值模擬和分析。從而為閥門的安全性和結構優化設計提供參考。2.模擬流場的偏心半球閥計算流程

2.1.物理模型

利用SolidWorks20143D軟件，按照1:1的比例分別建立偏心半球閥各部件的物理模型。使用SolidWorks中的裝配塊，將幾何關系和約束添加到組件中，以形成偏心半球閥的真實物理模型(圖1)。偏心球閥流場可視化仿真分析適用于鋼鐵工業、鋁業、纖維、微小固體顆粒、紙漿、粉煤灰、石油氣等介質。半偏心球閥從外形結構上分為兩種類型:

1.上置式:主要針對磨損嚴重的介質。上置式結構對于損壞的啟閉部件的更換和維修非常方便，不需要將整個閥門從管道上拆下來，大大節省了維修時間和成本。

2.側裝式:側裝式結構緊湊，閥門重量輕，適用于需要閥門安裝空間的場合。

模擬流場的硬密封偏心半球閥特性

1.該結構采用偏心鎖緊原理，通過傳動機構達到鎖緊、調節和關閉的目的。密封副是帶有金屬表面帶的硬面接觸密封。雙偏心結構的閥芯開啟時位于儲球室內，過流截面大，關閉時閥芯不被沖刷。開啟時，閥芯球面逐漸沿閥座，有效清除結垢障礙，實現可靠密封。對于易結垢固體沉淀的兩相混流的混流輸送特別有效。

2.閥門的半球由雙金屬制成。不同的合金堆焊在基材上，氣門座也堆焊有特殊處理。密封面組合成耐腐蝕、耐磨、高強度等多種類型，以滿足不同場合的需要。

3、密封嚴密，輸送有害氣體可達到零泄漏。

4.密封副的閥芯具有補償量。閥門磨損時，關閉時會轉動一點，使其密封可靠，使用壽命延長。此外，用戶擰下壓緊螺母，調整或更換后閥座仍可使用，避免了閥門密封失效后整個閥門報廢的缺陷。圖1偏心半球閥

2.2.結構簡化和網格化

在閥門前后添加進水管和出水管。為了便于利用Ansys中的Fluent進行分析計算，對偏心半球閥的結構進行了優化，并對過流區的圓角和倒角進行了適當的簡化，以加快計算的收斂速度。由于閥門前后的幾何形狀都是圓柱體，且閥體內腔內部結構復雜，閥芯結構復雜，因此在使用ICEM進行網格劃分時，對閥門前后的兩個圓柱盆劃分結構網格，對中間的復雜區域劃分適應性更好的非結構網格。由于結構化網格和非結構化網格的劃分方法不同，需要在兩個網格的交界處建立界面，即界面1和界面2(圖2)。偏心球閥流場可視化仿真分析圖2開度為50°的偏心球閥

2.3.解析法

閥門內部為湍流，湍流模型設置為帶平衡壁函數的k-ε模型，對流項采用二階迎風差分法離散。內部區域設置為流體，介質選擇為水-液體。管道的入口曲面設置為速度-入口，速度矢量，沿Y軸為正。管道的出口面被設置為流出邊界條件。“界面1”和“界面2”設置為“內部”，其他墻設置為“墻”。求解器選擇簡單算法，控制參數默認求解。初始化流場，設置殘差監視器，設置迭代次數進行求解計算，大約500次后計算收斂。

3.偏心半球閥模擬流場的計算與分析

為了更好地研究偏心半球閥的流場特性，閥門開啟角度從10°到90°計算，即從微開到全開，每隔5度計算一次。共17種工況。

3.1.流場分析

用Fluent計算閥盆后，為了更好的比較不同開度下的速度分布，將速度云圖的最小值和最大值統一設置在0~6m/s的范圍內，這樣，從顏色分布上可以更直觀的看到最大速度出現的位置以及不同開度下同一位置的速度變化(圖3，圖4)。偏心球閥流場可視化仿真分析圖3不同開度下偏心球閥在Z=0平面內的流場可視化仿真分析圖4不同開度下Y=0平面的速度云當偏心球閥開度為10°時(微開)，閥芯開口邊緣處速度較高，但由于開度較小，速度較高的區域較小，對閥體的影響也較小。但此時可以看到，在閥芯后部區域有一個低強度的渦流。

當偏心半球閥的開啟角度為25°時，閥芯開口邊緣的流速仍然較高，此時流速較高的區域增大，對閥芯和閥體的沖擊也較強。可以清楚地看到，閥芯背面形成一個渦流區，流動極其復雜，對閥芯影響很大。

當偏心半球閥的開啟角度為45°或更大時，從速度云圖可以看出，流體流經閥芯的速度分布比較均勻，速度不是很大，沒有渦流。

3.2、閥門損失系數

當流體流經閥門時，流體的阻力損失用閥門前后的流體壓降δp來表示。根據水頭損失和局部損失系數，可以推導出局部損失系數與壓降的關系。偏心球閥接口1和接口2的流場可視化仿真分析用于計算閥門的壓差，進而計算閥門的局部損失系數。在Fluent中通過面加權計算出流域重要斷面流速隨開口變化的曲線(圖5)。

從圖5可以看出，當閥門進出口開度較小時，速度值較大，對閥芯和閥體腔的沖刷作用較強，容易磨損閥芯和閥體腔。偏心球閥流場可視化仿真分析圖5計算結果數據分析偏心球閥采用偏心閥體、偏心球和閥座，閥桿旋轉時會自動對中在共軌上，關閉過程越來越緊，從而達到良好的密封目的。閥門的球和閥座完全分離，消除了密封圈的磨損，克服了傳統球閥閥座和球密封面總是磨損的問題。金屬座內嵌非金屬彈性材料，閥座金屬表面得到很好的保護。硬密封偏心半球閥專用

偏心半球閥模擬流場的應用原理

1.對于需要清洗和埋地的石油、天然氣輸送主管道，應選用全通徑、全焊接結構的球閥；埋地安裝時，選擇全直徑焊接或法蘭球閥；管道，選用法蘭連接、焊接連接、全通或變徑球閥。

2.成品油管道和儲存設備應采用法蘭連接的球閥。

3.城市煤氣和天然氣管道選用法蘭連接、內螺紋連接的浮動球閥。

4.在冶金系統的氧氣管道系統中，應選用經過嚴格脫脂處理、法蘭連接的固定球閥。

5.對于低溫介質的管道系統和裝置，應選擇帶閥蓋的低溫球閥。

6.本發明可用于煉油裝置的催化裂化裝置的管道系統中。

7.化工系統中酸、堿等腐蝕性介質的裝置和管道系統，應選用奧氏體不銹鋼材質、以PTFE為閥座密封圈的不銹鋼球閥。

8.金屬對金屬密封球閥可用于冶金系統、電力系統、石油化工廠和城市供熱系統中高溫介質的管道系統或裝置中。

9.當需要調節流量時，可選擇蝸輪傳動、氣動或電動調節V型開口球閥。

硬質偏心半球閥的應用范圍

硬偏心半球閥的應用范圍及其拓寬。硬質偏心半球閥可用于水、蒸汽、油等系統。適用于大壩底部的放空閥和控制閥(高流量狀態)，適用于泵類輸送系統的閥門，如增壓系統、中央空調系統等。

4.偏心半球閥模擬流場的結論

仿真結果表明，偏心半球閥在開度大于45°時具有良好的流通性能。另外，從局部損失系數隨張角的變化趨勢可以看出，張角大于40°后，局部損失系數ξ趨于常數。可以得出結論，這種偏心半球閥不能作為調節閥使用。它應該只適用于全開或全閉的工況。如果用偏心半球閥作為調節閥，容易損壞閥芯和閥體的結構。使用時一定要了解其功能和適用范圍，以免造成不必要的傷害。