強制密封球閥流場模擬分析及優化

王朝富 馬浩南 盧 鑒 李 強

1成都航利閥門成套設備有限公司2青海油田采油二廠

強制密封球閥流場模擬分析及優化

王朝富1 馬浩南2 盧 鑒1 李 強1

1成都航利閥門成套設備有限公司2青海油田采油二廠

強制密封球閥是天然氣站場計量裝置中的重要設備，為了提高經濟效益和加快工程建設進度，閥門制造企業紛紛加入到強制密封球閥的試制中。在產品試制過程中，可利用Fluent軟件對強制密封球閥進行流場分析及結構優化。采用Solidworks三維軟件對強制密封球閥內部流道進行建模，并運用Fluent軟件對球閥全開時的流場進行模擬分析，分析結果表明，閥內流場分布較為均勻合理。模擬了標準試驗條件下閥門流量系數的測定方法，得出閥門流量系數為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種結構方案，經方案對比可知，階梯形閥座結構可延長密封面的使用壽命。

強制密封球閥；流場；模型；流量系數；優化結構

隨著中國石油天然氣管道建設的快速發展，對油氣管線設備的需求也急劇增加。然而目前大多數關鍵設備依然以進口為主，不但增加了建設成本，同時也制約了管道建設的快速發展。其中強制密封球閥作為天然氣站場計量裝置中的重要設備，目前90﹪的用量依賴進口。隨著“十二五”的發展，強制密封球閥用量增大，為了提高經濟效益和加快工程建設進度，閥門制造企業紛紛加入到強制密封球閥的試制中。在產品試制過程中，可利用Fluent軟件對強制密封球閥進行流場分析及結構優化，為強制密封球閥的結構設計提供指導和參考。

1 流場分析

1.1 流場模型

強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。該閥在實際使用過程中無法檢測閥內介質實際流動狀態[1]。可利用Fluent軟件對閥內流場進行模擬分析，并依據分析結果對閥內流道進行優化。本文采用Solidworks三維軟件對PN150、DN400強制密封球閥全開時閥內流道進行建模。為了便于建模和分析，對不重要的結構進行了適當合理的簡化。

1.2 湍流模型

常用的CFD計算模型主要包含質量守恒方程、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流場數值模擬，其質量守恒方程、動量守恒方程組、能量守恒方程基本上是一致的，主要區別體現在湍流方程組上，即不同流動形式描述其湍流模型有所不同，常見的有標準k-ε模型、改進的RNG k-ε模型、標準k-ω模型等[2]，其中標準k-ε模型通常用來描述常規管道內部流體流動。

標準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。標準k-ε模型是半經驗公式，其中假設湍流交換系數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，選取標準k-ε湍流模型和壓力耦合方程組的半隱式SIMPLEST算法。設置邊界條件時忽略流體介質重力和熱傳導的影響[5]，在閥門進口端設置壓力邊界條件，絕對壓力值為15 MPa，出口端設定為自由出流，設置液固界面為滑移界面，并以進口端作為初始化條件進行計算。

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

圖1 閥門全開時流道速度跡線分布

1.4 流量系數計算

根據《通用閥門流量系數和流阻系數的試驗方法（JB/T 5296—1991）》以及《工業過程控制閥第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的直管段進行建模。

依據標準的要求，在Fluent中設置進口端絕對壓力為100 k Pa，出口端壓力為0，選取試驗介質為常溫水，密度為998.5 kg/m3，其他條件保持不變。經模擬分析得到閥門流量為908.86 kg/s。

根據《工業過程控制閥第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C v

對于規定溫度范圍內的水，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，表明當閥門全開時其流量系數接近于直管段，符合設計思想。

2 閥座結構優化

強制密封球閥剛開啟時，球芯先脫離閥座密封面，然后旋轉至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通過該流通截面時局部的流速較大。若介質的流態分布均勻合理，對密封面產生均勻沖刷，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，局部沖刷嚴重，經過多次啟閉后閥門泄漏的風險加大。因此，需對閥座結構進行優化分析，初步設計了3種閥座結構，即弧形、斜形和階梯形，采用Solidworks建模后，分別導入Fluent軟件中進行流場模擬，根據模擬分析結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種閥座結構得知，在弧形結構中流道流速變化較大，且沿四周方向變化明顯，流場的分布不規則，會造成流動的嚴重紊亂，對結構造成振動并產生局部沖刷形成凹坑，不利于閥門的長期使用；在斜形結構中，流場分布相對合理一些，但介質未平滑流過；在階梯形結構中，流場分布與斜形結構流場分布類似，但在靠近球芯密封面處流態分布更合理一些，形成均勻沖刷，有利于延長密封面使用壽命。經綜合分析，階梯形結構閥座相對較為合理，在實際制造時采用了該結構，并申請了專利，已授權。

3 結論

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

（2）根據標準規定，模擬了試驗條件下閥門流量系數的測定方法，得知流量系數為3789，接近直管道，滿足使用要求。

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

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

[2]王朝富．超超臨界減溫減壓閥結構分析及模擬研究[D]．蘭州：蘭州理工大學，2012．

[3]馮衛民，肖光宇，袁波，等．基于數值仿真的蝶閥性能對比分析[J]．排灌機械工程學報，2010，28（4）：315-319．

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

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

[6]機械電子工業部．通用閥門流量系數和流阻系數的試驗方法：JB/T 5296-1991[S]．北京：機械工業出版社，1992：1-3．

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

[8]王付軍，張紅琴．軌道球閥的設計[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，主要從事閥門設計和研究工作。

2015-09-03

15208217295、wangcf09@163.com