强制密封球阀流场模拟分析及优化

个体人

　　强制密封球阀是天然气站场计量装置中的重要设备，为了提高经济效益和加快工程建设进度，阀门制造企业纷纷加入到强制密封球阀的试制中。在产品试制过程中，可利用Fluent软件对强制密封球阀进行流场分析及结构优化。采用Solidworks三维软件对强制密封球阀内部流道进行建模，并运用Fluent软件对球阀全开时的流场进行模拟分析，分析结果表明，阀内流场分布较为均匀合理。

　　随着中国石油天然气管道建设的快速发展，对油气管线设备的需求也急剧增加。然而目前大多数关键设备依然以进口为主，不但增加了建设成本，同时也制约了管道建设的快速发展。其中强制密封球阀作为天然气站场计量装置中的重要设备，目前90﹪的用量依赖进口。随着“十二五”的发展，强制密封球阀用量增大，为了提高经济效益和加快工程建设进度，阀门制造企业纷纷加入到强制密封球阀的试制中。在产品试制过程中，可利用Fluent软件对强制密封球阀进行流场分析及结构优化，为强制密封球阀的结构设计提供指导和参考。

1、流场分析

　　1.1、流场模型

　　强制密封球阀为切断类阀门，用于计量装置中且长时间处于全开启状态。该阀在实际使用过程中无法检测阀内介质实际流动状态。可利用Fluent软件对阀内流场进行模拟分析，并依据分析结果对阀内流道进行优化。本文采用Solidworks三维软件对PN150、DN400强制密封球阀全开时阀内流道进行建模。为了便于建模和分析，对不重要的结构进行了适当合理的简化。

　　1.2、湍流模型

　　常用的CFD计算模型主要包含质量守恒方程、动量守恒方程组、能量守恒方程、湍流方程组等。对于不同形式的管道内流场数值模拟，其质量守恒方程、动量守恒方程组、能量守恒方程基本上是一致的，主要区别体现在湍流方程组上，即不同流动形式描述其湍流模型有所不同，常见的有标准k-ε模型、改进的RNGk-ε模型、标准k-ω模型等，其中标准k-ε模型通常用来描述常规管道内部流体流动。

　　标准k-ε模型主要包含了湍流动能k方程和湍流耗散ε方程，需要求解两个变量，即湍流动能k和特征长度尺寸l，该模型是在实际工程分析中最常采用的模型。标准k-ε模型是半经验公式，其中假设湍流交换系数μi为

　　应变量k与ε由微分方程控制，有

　　因式（2）、式（3）中Gb为忽略重力作用的湍流生成项，其值为0，故式（2）、式（3）变化为

　　1.3、球阀全开时流场分析

　　在Fluent软件中，选取标准k-ε湍流模型和压力耦合方程组的半隐式SIMPLEST算法。设置边界条件时忽略流体介质重力和热传导的影响，在阀门进口端设置压力边界条件，绝对压力值为15MPa，出口端设定为自由出流，设置液固界面为滑移界面，并以进口端作为初始化条件进行计算。

　　经Fluent模拟得到了阀门全开时的流场分布，如图1所示。沿X方向阀内流道速度分布较为合理，由于两侧流通面积较小，故流速偏大，与实际情况相符；沿Y方向阀内流道局部有漩涡存在，但作用影响较小，在靠进口端底部处的流速局部较大，有利于清理底部积累的杂质；沿Z方向流场分布未出现较大波动，阀底部流速较大，形成自清理功能，由此可见阀内的流场分布合理。

图1 阀门全开时流道速度迹线分布

　　1.4、流量系数计算

　　根据《通用阀门流量系数和流阻系数的试验方法（JB/T5296-1991）》以及《工业过程控制阀第2-3部分：流通能力试验程序（GB/T17213.9-2005）》，在阀前添加5D的直管段，阀后添加10D的直管段进行建模。

　　依据标准的要求，在Fluent中设置进口端绝对压力为100kPa，出口端压力为0，选取试验介质为常温水，密度为998.5kg/m3，其他条件保持不变。经模拟分析得到阀门流量为908.86kg/s。

　　根据《工业过程控制阀第2-3部分：流通能力试验程序（GB/T17213.9-2005）》第9.3中的计算公式，可计算出阀门流量系数Cυ

　　对于规定温度范围内的水，ρ1/ρ0=1，N1=0.0865，Q=3277.8m3/h，Δp=100kPa。代入公式中计算得Cυ≈3789.36，表明当阀门全开时其流量系数接近于直管段，符合设计思想。

2、阀座结构优化

　　强制密封球阀刚开启时，球芯先脱离阀座密封面，然后旋转至90°时阀门完全开启。在阀门刚开启并脱离阀座密封面时，由于间隙太小，流通面积较小，此时在全压差下介质通过该流通截面时局部的流速较大。若介质的流态分布均匀合理，对密封面产生均匀冲刷，可有效延长阀门密封面的使用寿命，还可以形成自清理功能；若密封面处冲刷不均匀，局部冲刷严重，经过多次启闭后阀门泄漏的风险加大。因此，需对阀座结构进行优化分析，初步设计了3种阀座结构，即弧形、斜形和阶梯形，采用Solidworks建模后，分别导入Fluent软件中进行流场模拟，根据模拟分析结果选出较为合理的方案。分析时，3个方案的边界条件在Fluent软件中保持不变。

　　对比分析3种阀座结构得知，在弧形结构中流道流速变化较大，且沿四周方向变化明显，流场的分布不规则，会造成流动的严重紊乱，对结构造成振动并产生局部冲刷形成凹坑，不利于阀门的长期使用；在斜形结构中，流场分布相对合理一些，但介质未平滑流过；在阶梯形结构中，流场分布与斜形结构流场分布类似，但在靠近球芯密封面处流态分布更合理一些，形成均匀冲刷，有利于延长密封面使用寿命。经综合分析，认为阶梯形结构阀座相对较为合理，在实际制造时采用了该结构，并申请了专利，已授权。

3、结论

　　（1）针对强制密封球阀进行了全开时流场模拟分析。由模拟分析结果可知，流场分布较为合理，可长期有效的运行。

　　（2）根据标准规定，模拟了试验条件下阀门流量系数的测定方法，得知流量系数为3789，接近直管道，满足使用要求。

　　（3）通过模拟分析，优化了阀座的结构，改善了开启时介质对球芯密封面的冲刷，有效地延长了阀门的密封寿命，为强制密封球阀国产化研究提供了参考。