上海申弘阀门有限公司
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偏心半球阀固有流量特性 偏心半球阀流量特性 球阀固有流量特性 双偏心半球阀 半球阀
之前介绍JIS日标不锈钢截止阀标准，现在介绍偏心半球阀固有流量特性通过ICEM软件，使用结构网格与非结构网格相结合的有限元法以及Fluent 软件中基于各向同性涡粘性理论的k-ε双方程模式，求解得到了不同开度下的偏心半球阀内部三维流场的流场图以及通过计算描绘了相关的阀门固有流量特性等曲线，并进行了相应的分析。
1、偏心半球阀固有流量特性概述
阀门内部结构复杂，当流体通过阀门时会产生压差，并成为影响管道局部水头损失的主要因素。在阀门设计中，不仅注重结构形态，还需要研究不同类型不同结构阀门的内部流场的特殊性与差异性。偏心半球阀具有开关无摩擦，密封不易磨损，启闭力矩小等优点，可以减小所配执行器的规格。配以多回转电动执行机构，可实现对介质的调节和严密切断。因此广泛适用于石油、化工、城市给排水等要求严格切断的工况。本文通过运用Ansys等软件，对DN250偏心半球阀在不同开度下的流场进行了数值模拟分析。以便为阀门安全与结构优化设计提供参考。
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀本产品为双偏心式半球阀，是一种新型的阀门，是为解决溶液及矿浆等两相流介质输送中的技术难题而研制开发的定型产品。它的开发成功，为化工、石油、燃气、冶金、电力、水利等工业部门溶液工艺流程中为易沉淀结垢、结晶、析出等而影响流程的困境中提供了可靠的控制阀门，为提高我国工业管理装备水平提供了新型优异产品。 本产品是在引进德国CANALI公司*技术的基础上，消化吸收而研制的国产系列产品。其结构上采用偏心—楔紧原理，通过传动机构达到楔紧、调节、启闭的作用。其设计原理如下图圆偏心及其展开平面上楔形角变化图。 本产品结构新颖，性能稳定，开启迅速轻便、磨损自行补偿，密封可靠耐用（密封副材料均采用了堆焊硬质合金），易于调整维修；直通式结构流通面积大，较截止阀、蝶阀等阀门阻尼小，系统压降小；能自行破除结垢、方便启闭，无“死区”，克服了闸阀、球阀、截止阀等易结疤、易堵塞、易泄漏、寿命短等弊端，显示其*的*性。另：本阀可双向承压密封，使用温度高达540℃。“锋蝶牌”双偏心半球阀系列产品，贯彻了国家GB9115.8.9.10.11-88系列法兰连接尺寸标准，便于安装及替代现有阀门品种，亦可根据用户需要的联接尺寸系列安排生产。本产品还可根据用户需要，执行操作机构制成蜗轮蜗杆、电动、气动等，以适应不同工况条件下的需要。
双偏心式半球阀具有下列优点：
A．直通式：单向密封和偏心式结构，开启时阀芯与阀座脱离，流 通不会出现积灰卡阻现象；
B.开关轻便：开启时阀芯与阀座脱离，无任何接触，启动扭矩小， 转动灵活，关闭时，半球与阀座的挤切作用能除去密封面上的结垢与粘连物，密封严紧可靠；
C．密封面的偏心结构使球面能自动补偿磨损，保持阀门的密封性 能，使用寿命长，安全可靠，不会在使用一段时间后因磨损而产生泄漏；
D．阀门属于硬密封结构，密封副可选用硬质合金，经过特殊处理 制成，流体不直接冲刷阀芯，故阀门耐磨损，寿命长。 半球阀是近年来我厂科研部门开发的*结晶产品，以其设计合理，结构*，具有流通阻力小，密封性能好，使用寿命长等特点。深得用户好评。手动通用型半球阀更以其结构紧凑，启闭轻便，操作力矩不大于35kg.m，深受广大阀门操作工的欢迎；是广泛用于管路控制上理想的通用型开关阀门。
2、计算流程
2.1、物理模型
使用SolidWorks2014 三维软件，按照1: 1的比例分别构建偏心半球阀的所有组成部件的物理模型，利用SolidWorks中的装配体版块，给部件添加几何关系、约束，以便组成偏心半球阀真实的物理模型(图1) 。
偏心半球阀流场的可视化仿真分析
图1 偏心半球阀
2.2、结构简化及网格化分
在阀门前后添加进口管道和出口管道。为了便于使用Ansys 中的Fluent 进行分析计算，对偏心半球阀的结构进行优化，并适当简化流动区域中的圆角和倒角，以加快计算的收敛率。由于阀前阀后几何形状简单都为圆柱体，而阀体腔内部结构复杂，且阀芯结构复杂，所以，在使用ICEM 划分网格时，对于阀前后的两段圆柱体流域划分结构网格，而对中间的复杂区域划分自适应性比较好的非结构网格。因为结构网格和非结构网格划分的方法不同，需要在两种网格交界处建立交界面，即interface1 和interface2(图2) 。
偏心半球阀流场的可视化仿真分析
图2 开度为50°的偏心半球阀
2.3、分析方法
阀门内部为湍流，因此设置湍流模型为具有平衡壁面函数的k -ε 模型，对流项均采用二阶迎风差分方式进行离散。内部区域设置为fluid，介质选择为water -liquid。管道入口面设置为速度入口(velocity -inlet) ，速度矢量，沿Y 轴正向。管道出口面设置为出流(Out flow) 边界条件。interface1 和interface2 设置为interior，其他壁面设置为wall。求解器选择SIMPLE 算法，默认求解控制参数。流场初始化、设置残差监视器、设置迭代次数进行求解计算，500 次左右计算收敛。
3、计算分析
为了更好的研究偏心半球阀的流场特性，计算了阀门开启角度从10°～90°，即从微开到全开，且每隔5°计算一次。共计17 个工况。双偏心式半球阀，是一种新型的阀门，是为解决溶液及矿浆等两相流介质输送中的技术难题而研制开发的定型产品。它的开发成功，为化工、石油、燃气、冶金、电力、水利等工业部门溶液工艺流程中为易沉淀结垢、结晶、析出等而影响流程的困境中提供了可靠的控制阀门，为提高我国工业管理装备水平提供了新型优异产品。 本产品是在引进德国CANALI公司*技术的基础上，消化吸收而研制的国产系列产品。其结构上采用偏心—楔紧原理，通过传动机构达到楔紧、调节、启闭的作用。其设计原理如下图圆偏心及其展开平面上楔形角变化图。球阀是近年来在欧美发展zui快的阀类之一，相关工业技术的进步使得各种偏心球阀得以诞生。它通过转动偏心轴，带动固定在其上的球冠来达到阀门的启闭。简单、可靠的结构形式及有效的密封方式，使它比闸阀、蝶阀等传统阀更具优势，它经历了十多年的时间考验，并受到更多用户的喜爱。
、技术参数：
1、使用范围：
可适用于水、汽、油品等系统中；适用于水坝底部放空阀和控制阀（高流速状态）。适用于泵输送系统的阀门，如加压系统，中央空调系统。可配置成安全阀、流量控制阀、爆管阀、减压阀等。适用于自来水系统，煤气系统、天然气系统等地下管线（高度小）。
2、工作压力（MPa）：PN1.0、PN1.6、PN2.5、PN4.0
3、使用温度：﹣10℃～120℃
4、通径：DN50～2600mm
3.1、流场分析
在用Fluent 对阀门流域进行计算之后，为了便于更好的对比不同开度下的速度分布，统一设置速度云图的zui小值与zui大值的范围为0 ～6m /s。这样可以更直观的从颜色分布就可以看出zui大速度出现的位置以及同一位置不同开度下的速度变化(图3，图4) 。
偏心半球阀流场的可视化仿真分析
图3 不同开度下Z = 0 平面的速度云图
偏心半球阀流场的可视化仿真分析
图4 不同开度下Y = 0 平面的速度云图
当偏心半球阀开启角度为10°( 微小开启) 时，在阀芯开口边缘处速度较大，但因为开度较小，速度大的区域较小，对阀体的冲击也较小。但是此时可以看到在阀芯背面区域，有较小强度的漩涡形成。当偏心半球阀开启角度为25°时，在阀芯开口边缘处的速度依然较大，并且此时，速度大的区域增大，对阀芯和阀体的冲击作用也较强。已能明显的看出在阀芯背面形成了漩涡区域，流动极其复杂，对阀芯的影响也较大。当偏心半球阀开启角度为45°或大于45°时，从速度云图中可以看出，流经阀芯的流体速度分布较为均匀，并且速度不是很大，也没有漩涡。
3.2、阀门损失系数
流体流过阀门时，流体的阻力损失以阀门前后的流体压降Δp 表示。根据水头损失和局部损失系数可以推出局部损失系数与压降的关系式。
偏心半球阀流场的可视化仿真分析
取interface1 和interface2 计算阀门的压力差，进而计算出阀门的局部损失系数。通过Fluent 中的面加权计算流域中重要截面的速度随开度的变化曲线(图5) 。
从图5 中可以看出，阀门进出口的速度在开度较小时，速度值较大，对阀芯和阀体腔的冲刷作用较强，易磨损阀芯和阀体腔。
偏心半球阀流场的可视化仿真分析
图5 计算结果数据分析
4、结语
模拟分析结果表明，偏心半球阀在开度大于45°时具有较好的流通性能。另外从局部损失系数随着开度的变化趋势可以看出，开启角度大于40°之后，局部损失系数ξ 趋于一个常数。由此可以得出，此种偏心半球阀不能作为调节阀使用。应该是只适用于*开启或*关闭两种工况。如果将偏心半球阀用作调节阀，容易损坏阀芯和阀体的结构。因此阀门使用时一定要了解其功能及应用范围，避免造成不必要的损坏。与本文相关的产品有不锈钢波纹管密封安全阀
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