強(qiáng)制密封球閥流場模擬分析及優(yōu)化

王朝富 馬浩南 盧 鑒 李 強(qiáng)

1成都航利閥門成套設(shè)備有限公司2青海油田采油二廠

強(qiáng)制密封球閥流場模擬分析及優(yōu)化

王朝富1 馬浩南2 盧 鑒1 李 強(qiáng)1

1成都航利閥門成套設(shè)備有限公司2青海油田采油二廠

強(qiáng)制密封球閥是天然氣站場計量裝置中的重要設(shè)備，為了提高經(jīng)濟(jì)效益和加快工程建設(shè)進(jìn)度，閥門制造企業(yè)紛紛加入到強(qiáng)制密封球閥的試制中。在產(chǎn)品試制過程中，可利用Fluent軟件對強(qiáng)制密封球閥進(jìn)行流場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化。采用Solidworks三維軟件對強(qiáng)制密封球閥內(nèi)部流道進(jìn)行建模，并運(yùn)用Fluent軟件對球閥全開時的流場進(jìn)行模擬分析，分析結(jié)果表明，閥內(nèi)流場分布較為均勻合理。模擬了標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下閥門流量系數(shù)的測定方法，得出閥門流量系數(shù)為3 789，接近直管段，可滿足使用要求。針對開啟時閥座與球芯的流道提出3種結(jié)構(gòu)方案，經(jīng)方案對比可知，階梯形閥座結(jié)構(gòu)可延長密封面的使用壽命。

強(qiáng)制密封球閥；流場；模型；流量系數(shù)；優(yōu)化結(jié)構(gòu)

隨著中國石油天然氣管道建設(shè)的快速發(fā)展，對油氣管線設(shè)備的需求也急劇增加。然而目前大多數(shù)關(guān)鍵設(shè)備依然以進(jìn)口為主，不但增加了建設(shè)成本，同時也制約了管道建設(shè)的快速發(fā)展。其中強(qiáng)制密封球閥作為天然氣站場計量裝置中的重要設(shè)備，目前90﹪的用量依賴進(jìn)口。隨著“十二五”的發(fā)展，強(qiáng)制密封球閥用量增大，為了提高經(jīng)濟(jì)效益和加快工程建設(shè)進(jìn)度，閥門制造企業(yè)紛紛加入到強(qiáng)制密封球閥的試制中。在產(chǎn)品試制過程中，可利用Fluent軟件對強(qiáng)制密封球閥進(jìn)行流場分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為強(qiáng)制密封球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)和參考。

1 流場分析

1.1 流場模型

強(qiáng)制密封球閥為切斷類閥門，用于計量裝置中且長時間處于全開啟狀態(tài)。該閥在實際使用過程中無法檢測閥內(nèi)介質(zhì)實際流動狀態(tài)[1]。可利用Fluent軟件對閥內(nèi)流場進(jìn)行模擬分析，并依據(jù)分析結(jié)果對閥內(nèi)流道進(jìn)行優(yōu)化。本文采用Solidworks三維軟件對PN150、DN400強(qiáng)制密封球閥全開時閥內(nèi)流道進(jìn)行建模。為了便于建模和分析，對不重要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)合理的簡化。

1.2 湍流模型

常用的CFD計算模型主要包含質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程組、能量守恒方程、湍流方程組等。對于不同形式的管道內(nèi)流場數(shù)值模擬，其質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程組、能量守恒方程基本上是一致的，主要區(qū)別體現(xiàn)在湍流方程組上，即不同流動形式描述其湍流模型有所不同，常見的有標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、改進(jìn)的RNG k-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型等[2]，其中標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型通常用來描述常規(guī)管道內(nèi)部流體流動。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型主要包含了湍流動能k方程和湍流耗散ε方程，需要求解兩個變量，即湍流動能k和特征長度尺寸l，該模型是在實際工程分析中最常采用的模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是半經(jīng)驗公式，其中假設(shè)湍流交換系數(shù)μi為[3]

因式（2）、式（3）中Gb為忽略重力作用的湍流生成項，其值為0，故式（2）、式（3）變化為

1.3 球閥全開時流場分析

在Fluent軟件中，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和壓力耦合方程組的半隱式SIMPLEST算法。設(shè)置邊界條件時忽略流體介質(zhì)重力和熱傳導(dǎo)的影響[5]，在閥門進(jìn)口端設(shè)置壓力邊界條件，絕對壓力值為15 MPa，出口端設(shè)定為自由出流，設(shè)置液固界面為滑移界面，并以進(jìn)口端作為初始化條件進(jìn)行計算。

經(jīng)Fluent模擬得到了閥門全開時的流場分布，如圖1所示。沿X方向閥內(nèi)流道速度分布較為合理，由于兩側(cè)流通面積較小，故流速偏大，與實際情況相符；沿Y方向閥內(nèi)流道局部有漩渦存在，但作用影響較小，在靠進(jìn)口端底部處的流速局部較大，有利于清理底部積累的雜質(zhì)；沿Z方向流場分布未出現(xiàn)較大波動，閥底部流速較大，形成自清理功能，由此可見閥內(nèi)的流場分布合理。

圖1 閥門全開時流道速度跡線分布

1.4 流量系數(shù)計算

根據(jù)《通用閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗方法（JB/T 5296—1991）》以及《工業(yè)過程控制閥第2-3部分：流通能力試驗程序（GB/T 17213.9-2005）》[6-7]，在閥前添加5 D的直管段，閥后添加10 D的直管段進(jìn)行建模。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，在Fluent中設(shè)置進(jìn)口端絕對壓力為100 k Pa，出口端壓力為0，選取試驗介質(zhì)為常溫水，密度為998.5 kg/m3，其他條件保持不變。經(jīng)模擬分析得到閥門流量為908.86 kg/s。

根據(jù)《工業(yè)過程控制閥第2-3部分：流通能力試驗程序（GB/T 17213.9—2005）》第9.3中的計算公式，可計算出閥門流量系數(shù)C v

對于規(guī)定溫度范圍內(nèi)的水，ρ1/ρ0=1，N1=0.086 5，Q=3277.8 m3/h，Δp=100 k Pa。代入公式中計算得C v≈3 789.36，表明當(dāng)閥門全開時其流量系數(shù)接近于直管段，符合設(shè)計思想。

2 閥座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

強(qiáng)制密封球閥剛開啟時，球芯先脫離閥座密封面，然后旋轉(zhuǎn)至90°時閥門完全開啟[8]。在閥門剛開啟并脫離閥座密封面時，由于間隙太小，流通面積較小，此時在全壓差下介質(zhì)通過該流通截面時局部的流速較大。若介質(zhì)的流態(tài)分布均勻合理，對密封面產(chǎn)生均勻沖刷，可有效延長閥門密封面的使用壽命，還可以形成自清理功能；若密封面處沖刷不均勻，局部沖刷嚴(yán)重，經(jīng)過多次啟閉后閥門泄漏的風(fēng)險加大。因此，需對閥座結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，初步設(shè)計了3種閥座結(jié)構(gòu)，即弧形、斜形和階梯形，采用Solidworks建模后，分別導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行流場模擬，根據(jù)模擬分析結(jié)果選出較為合理的方案。分析時，3個方案的邊界條件在Fluent軟件中保持不變。

對比分析3種閥座結(jié)構(gòu)得知，在弧形結(jié)構(gòu)中流道流速變化較大，且沿四周方向變化明顯，流場的分布不規(guī)則，會造成流動的嚴(yán)重紊亂，對結(jié)構(gòu)造成振動并產(chǎn)生局部沖刷形成凹坑，不利于閥門的長期使用；在斜形結(jié)構(gòu)中，流場分布相對合理一些，但介質(zhì)未平滑流過；在階梯形結(jié)構(gòu)中，流場分布與斜形結(jié)構(gòu)流場分布類似，但在靠近球芯密封面處流態(tài)分布更合理一些，形成均勻沖刷，有利于延長密封面使用壽命。經(jīng)綜合分析，階梯形結(jié)構(gòu)閥座相對較為合理，在實際制造時采用了該結(jié)構(gòu)，并申請了專利，已授權(quán)。

3 結(jié)論

（1）針對強(qiáng)制密封球閥進(jìn)行了全開時流場模擬分析。由模擬分析結(jié)果可知，流場分布較為合理，可長期有效的運(yùn)行。

（2）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，模擬了試驗條件下閥門流量系數(shù)的測定方法，得知流量系數(shù)為3789，接近直管道，滿足使用要求。

（3）通過模擬分析，優(yōu)化了閥座的結(jié)構(gòu)，改善了開啟時介質(zhì)對球芯密封面的沖刷，有效地延長了閥門的密封壽命，為強(qiáng)制密封球閥國產(chǎn)化研究提供了參考。

[1]李廣軍，王彥枝．偏心半球閥流場數(shù)值模擬與分析[J]．閥門，2013，27（2）：33-35．

[2]王朝富．超超臨界減溫減壓閥結(jié)構(gòu)分析及模擬研究[D]．蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012．

[3]馮衛(wèi)民，肖光宇，袁波，等．基于數(shù)值仿真的蝶閥性能對比分析[J]．排灌機(jī)械工程學(xué)報，2010，28（4）：315-319．

[4]王富軍．計算流體動力學(xué)分析[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005：20-30.

[5]浦廣益．ANSYS Workbench12基礎(chǔ)教程與實例詳解[M]．北京：中國水利水電出版社，2010：89-100．

[6]機(jī)械電子工業(yè)部．通用閥門流量系數(shù)和流阻系數(shù)的試驗方法：JB/T 5296-1991[S]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992：1-3．

[7]中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會．工業(yè)過程控制閥第2-3部分：流通能力試驗程序：GB/T 17213.9-2005[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：5-10.

[8]王付軍，張紅琴．軌道球閥的設(shè)計[J]．閥門，2004，28（1）：4-6．

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.11.035

王朝富：工程師，碩士研究生，主要從事閥門設(shè)計和研究工作。

2015-09-03

15208217295、wangcf09@163.com