運用有限元分析軟件Ansys，對DN500偏心半球閥不同開度情況下的流場形式進行了數值模擬分析。根據分析結果對偏心半球閥閥瓣結構進行了改進。改進后的偏心半球閥流阻系數減低，流通性能提高。

1、概述

　　偏心半球閥以其開啟力小，關閉時能破除結垢障礙，流體阻力小等優點，得到廣泛的應用。在偏心半球閥試驗和使用過程中難以觀察流體在閥體內部流場的分布情況，對數據進行檢測難以實現，因此開展閥門流體流場的數值模擬分析，對設計和產品結構優化具有重要意義。本文運用Ansys軟件，對某氧化鋁企業使用的DN500半球閥在不同工況下進行了數值模擬分析。以流體在半球閥閥瓣不同開度下的流體分析為依據，改變閥瓣結構，實現半球閥的優化設計。

2、流程分析

　　2.1、控制方程

　　假設半球閥內部流動介質為水。為了便于建立數學模型，對閥腔內流域做出假設。①假設流域為穩態不可壓縮非粘性流動過程。②假設液固界面為滑移邊界，即邊界處速度為0，且k=0，ε=0。

　　2.2、數學模型

　　閥腔內的流體流動是一個復雜的湍流流動過程，其重要特征是不規則性、耗散性、旋流性和擴散性。描述流體在閥腔內流動的數學模型為動量方程、連續性方程、質量守恒定律和能量守恒定律(式1～4)

　　式中ρ———介質密度，kg/m3

　　P———壓力，MPa

　　u、υ 、w ———速度矢量

　　k———紊流動能，J

　　ε———耗散率，m2/s

　　υi———紊流粘度，Pa·s

　　υt=CμK2/ε

　　GK———由于平均速度梯度引起的紊流動能產生項

　　σk、σε ———與紊流動能和耗散率對應的Pr數

　　2.3、流道模型及網格劃分

　　為了計算便捷，取半球閥的閥體內腔作為計算域。分析中使用FLUID141單元進行分析計算。采用自適應的網格技術對流場進行調整使其模擬出更加精細的流動。

　　2.4、計算方法

　　采用不可壓縮流動雷諾時均方程組，紊流模型采用標準的κ-ε模型。所有方程中的對流項均用二階迎風格式離散。離散方程的求解采用壓力耦合方程組的半隱式方法。給定管道進口速度假設為υ=1.5m/s，介質為水，介質密度為ρ=1000kg/m3，出口邊界條件為p=0MPa，液固界面為滑移邊界，即邊界處速度V=0m/s。

3、計算結果

　　為了研究半球閥的流場特性，設定閥門開度為10% 、45% 、100% 的典型工況，模擬閥門微開、半開和全開3種典型狀態的流場工況。

　　3.1、改進前流場分析(圖1)

　　半球閥開度為10%時，閥瓣后部介質流速較小，水流幾乎被堵住，上下兩處狹窄過流區域的流速較大，但是區域比較小。由于流體在上下兩側的過流，導致閥瓣前部靠邊側的局部流速過大，對閥瓣邊側造成局部的沖擊。在閥瓣側面產生較大沖擊力，導致半球閥會有明顯的振動且閥門啟閉力矩較大。

　　半球閥開度為45%時，由于閥瓣的阻礙，介質流速分布呈明顯不均勻性，在過流的上下區域，流速明顯增加，并形成渦流。速度較大區域集中在閥瓣側面區域部分，形成對閥座的較大沖擊。由于閥瓣背面存在均布的低壓區域，且上側流速較小，從閥瓣下側過流的流體向上側流動，由于閥瓣背面的阻礙，在閥瓣背面形成較大的漩渦。

　　蝶閥全開時，介質過流速度較大，整個流態較平穩。由于全開時閥芯處于閥體邊側，對流體的影響較小。

(a)開度 10% (b)開度 45% (c)開度 100%

圖1 改進前半球閥不同開度時流場速度面域分布

　　3.2、改進后流場分析

　　為了改善半球閥流場狀況，減少過流損失，對閥瓣做了局部改進。在不影響閥瓣剛度的前提下，將閥瓣前部的弧度改為平面形狀，以此改進流場形狀(圖2)。

(a)開度 10% (b)開度 45% (c)開度 100%

圖2 改進后半球閥不同開度時流場速度面域分布

　　半球閥開度為10%時，前部的介質流速最大值主要集中在閥瓣中間部分，在閥瓣偏側產生的沖擊力明顯減小，使半球閥的啟閉力矩較小且振動也減小。

　　半球閥開度為45%時，由于兩側的過流流體的速度梯度較小，閥瓣背后的渦流幾乎消失，閥瓣下部的渦流區域也明顯變小，整個流場的狀況明顯得到改善。

　　半球閥開度為100%時，介質過流比較順暢，流速分布較均勻，流態較平穩，上下兩側幾乎成對稱態勢，整個流道內流速無明顯增加，壓力局部損失明顯減小。流場的最高流速比改進前在數值上有所減小。如果結合壓力分布圖分析，局部壓力梯度明顯減少。

　　3.3、流阻系數

　　流體通過閥門時，其流體阻力損失以閥門前后的流體壓力降Δp表示。

　(5)

　　得出

　　式中Δp ———被測閥門的壓力損失，MPa

　　ξ———閥門的流阻系數

　　u———流體在管道內的平均流速(表1)，m/s

　　表1 半球閥改進前后出口平均流速對比 m/s

4、結語

　　從流場模擬結果分析可知，半球閥在開度45%～ 100% 之間時，過流狀態良好。在開度小于45%時，由于兩側過流速度梯度較大，閥瓣背后產生渦流。在閥瓣前部由圓弧改為平面后，45% 開度時，由于兩側過流速度梯度變小，閥瓣背后的渦流明顯減小。過流沖擊帶來的振動也有所降低。閥瓣改進后，閥門流阻系數明顯減小，更有利于流體在流道內通過，在100%開度時，流阻系數減少約18%，效果明顯。因此在不影響閥瓣強度的情況下，閥瓣前端面由圓弧改為平面，可以提高半球閥的工作效率。