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偏心半球阀模拟现场流量概述及工作原理

偏心半球阀模拟现场流量概述及工作原理

作者:小阀    来源:美国米勒进口阀门    发布时间:2022-02-22 09:30    浏览量:
1.偏心半球阀流场模拟综述

美国MILLER(米勒)阀门的内部结构很复杂。当流体通过阀门时,会产生压差,这将成为影响管道局部水头损失的主要因素。在阀门的设计中,不仅要注意结构形式,还要研究不同类型和结构的阀门内部流场的特殊性和差异性。偏心球阀具有开关无摩擦、密封磨损小、启闭扭矩小的优点,可降低执行机构的规格。多旋转电动执行机构,介质可调,切断紧密。因此广泛应用于石油、化工、城市给排水等需要严格截止的工况。本文利用Ansys等软件对DN250偏心球阀在不同开度下的流场进行了数值模拟和分析。从而为阀门的安全性和结构优化设计提供参考。2.模拟流场的偏心半球阀计算流程

2.1.物理模型

利用SolidWorks20143D软件,按照1:1的比例分别建立偏心半球阀各部件的物理模型。使用SolidWorks中的装配块,将几何关系和约束添加到组件中,以形成偏心半球阀的真实物理模型(图1)。偏心球阀流场可视化仿真分析适用于钢铁工业、铝业、纤维、微小固体颗粒、纸浆、粉煤灰、石油气等介质。半偏心球阀从外形结构上分为两种类型:

1.上置式:主要针对磨损严重的介质。上置式结构对于损坏的启闭部件的更换和维修非常方便,不需要将整个阀门从管道上拆下来,大大节省了维修时间和成本。

2.侧装式:侧装式结构紧凑,阀门重量轻,适用于需要阀门安装空间的场合。

模拟流场的硬密封偏心半球阀特性

1.该结构采用偏心锁紧原理,通过传动机构达到锁紧、调节和关闭的目的。密封副是带有金属表面带的硬面接触密封。双偏心结构的阀芯开启时位于储球室内,过流截面大,关闭时阀芯不被冲刷。开启时,阀芯球面逐渐沿阀座,有效清除结垢障碍,实现可靠密封。对于易结垢固体沉淀的两相混流的混流输送特别有效。

2.阀门的半球由双金属制成。不同的合金堆焊在基材上,气门座也堆焊有特殊处理。密封面组合成耐腐蚀、耐磨、高强度等多种类型,以满足不同场合的需要。

3、密封严密,输送有害气体可达到零泄漏。

4.密封副的阀芯具有补偿量。阀门磨损时,关闭时会转动一点,使其密封可靠,使用寿命延长。此外,用户拧下压紧螺母,调整或更换后阀座仍可使用,避免了阀门密封失效后整个阀门报废的缺陷。图1偏心半球阀

2.2.结构简化和网格化

在阀门前后添加进水管和出水管。为了便于利用Ansys中的Fluent进行分析计算,对偏心半球阀的结构进行了优化,并对过流区的圆角和倒角进行了适当的简化,以加快计算的收敛速度。由于阀门前后的几何形状都是圆柱体,且阀体内腔内部结构复杂,阀芯结构复杂,因此在使用ICEM进行网格划分时,对阀门前后的两个圆柱盆划分结构网格,对中间的复杂区域划分适应性更好的非结构网格。由于结构化网格和非结构化网格的划分方法不同,需要在两个网格的交界处建立界面,即界面1和界面2(图2)。偏心球阀流场可视化仿真分析图2开度为50°的偏心球阀

2.3.解析法

阀门内部为湍流,湍流模型设置为带平衡壁函数的k-ε模型,对流项采用二阶迎风差分法离散。内部区域设置为流体,介质选择为水-液体。管道的入口曲面设置为速度-入口,速度矢量,沿Y轴为正。管道的出口面被设置为流出边界条件。“界面1”和“界面2”设置为“内部”,其他墙设置为“墙”。求解器选择简单算法,控制参数默认求解。初始化流场,设置残差监视器,设置迭代次数进行求解计算,大约500次后计算收敛。

3.偏心半球阀模拟流场的计算与分析

为了更好地研究偏心半球阀的流场特性,阀门开启角度从10°到90°计算,即从微开到全开,每隔5度计算一次。共17种工况。

3.1.流场分析

用Fluent计算阀盆后,为了更好的比较不同开度下的速度分布,将速度云图的最小值和最大值统一设置在0~6m/s的范围内,这样,从颜色分布上可以更直观的看到最大速度出现的位置以及不同开度下同一位置的速度变化(图3,图4)。偏心球阀流场可视化仿真分析图3不同开度下偏心球阀在Z=0平面内的流场可视化仿真分析图4不同开度下Y=0平面的速度云当偏心球阀开度为10°时(微开),阀芯开口边缘处速度较高,但由于开度较小,速度较高的区域较小,对阀体的影响也较小。但此时可以看到,在阀芯后部区域有一个低强度的涡流。

当偏心半球阀的开启角度为25°时,阀芯开口边缘的流速仍然较高,此时流速较高的区域增大,对阀芯和阀体的冲击也较强。可以清楚地看到,阀芯背面形成一个涡流区,流动极其复杂,对阀芯影响很大。

当偏心半球阀的开启角度为45°或更大时,从速度云图可以看出,流体流经阀芯的速度分布比较均匀,速度不是很大,没有涡流。

3.2、阀门损失系数

当流体流经阀门时,流体的阻力损失用阀门前后的流体压降δp来表示。根据水头损失和局部损失系数,可以推导出局部损失系数与压降的关系。偏心球阀接口1和接口2的流场可视化仿真分析用于计算阀门的压差,进而计算阀门的局部损失系数。在Fluent中通过面加权计算出流域重要断面流速随开口变化的曲线(图5)。

从图5可以看出,当阀门进出口开度较小时,速度值较大,对阀芯和阀体腔的冲刷作用较强,容易磨损阀芯和阀体腔。偏心球阀流场可视化仿真分析图5计算结果数据分析偏心球阀采用偏心阀体、偏心球和阀座,阀杆旋转时会自动对中在共轨上,关闭过程越来越紧,从而达到良好的密封目的。阀门的球和阀座完全分离,消除了密封圈的磨损,克服了传统球阀阀座和球密封面总是磨损的问题。金属座内嵌非金属弹性材料,阀座金属表面得到很好的保护。硬密封偏心半球阀专用

偏心半球阀模拟流场的应用原理

1.对于需要清洗和埋地的石油、天然气输送主管道,应选用全通径、全焊接结构的球阀;埋地安装时,选择全直径焊接或法兰球阀;管道,选用法兰连接、焊接连接、全通或变径球阀。

2.成品油管道和储存设备应采用法兰连接的球阀。

3.城市煤气和天然气管道选用法兰连接、内螺纹连接的浮动球阀。

4.在冶金系统的氧气管道系统中,应选用经过严格脱脂处理、法兰连接的固定球阀。

5.对于低温介质的管道系统和装置,应选择带阀盖的低温球阀。

6.本发明可用于炼油装置的催化裂化装置的管道系统中。

7.化工系统中酸、碱等腐蚀性介质的装置和管道系统,应选用奥氏体不锈钢材质、以PTFE为阀座密封圈的不锈钢球阀。

8.金属对金属密封球阀可用于冶金系统、电力系统、石油化工厂和城市供热系统中高温介质的管道系统或装置中。

9.当需要调节流量时,可选择蜗轮传动、气动或电动调节V型开口球阀。

硬质偏心半球阀的应用范围

硬偏心半球阀的应用范围及其拓宽。硬质偏心半球阀可用于水、蒸汽、油等系统。适用于大坝底部的放空阀和控制阀(高流量状态),适用于泵类输送系统的阀门,如增压系统、中央空调系统等。

4.偏心半球阀模拟流场的结论

仿真结果表明,偏心半球阀在开度大于45°时具有良好的流通性能。另外,从局部损失系数随张角的变化趋势可以看出,张角大于40°后,局部损失系数ξ趋于常数。可以得出结论,这种偏心半球阀不能作为调节阀使用。它应该只适用于全开或全闭的工况。如果用偏心半球阀作为调节阀,容易损坏阀芯和阀体的结构。使用时一定要了解其功能和适用范围,以免造成不必要的伤害。

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