不同開度下球閥磨損性能分析

□ 雷永強

襄陽汽車職業技術學院 汽車工程學院 湖北襄陽 441021

1 分析背景

良好的密封性能是衡量球閥能否繼續正常工作的重要指標,如果球閥長期受高速介質的沖蝕磨損,壁面會不同程度受損,從而使球閥的密封性能大大降低,球閥報廢不能繼續使用[1]。雖然許多閥門用戶與制造企業都先后對閥門關鍵部位的磨損情況進行了試驗驗證,但試驗往往受試驗條件的約束,且運用試驗方法只能得到閥門總體質量的變化,無法得到具體的磨損集中區域及磨損區域的磨損速率。閥門在實際使用過程中,呈現的失效形式主要為局部壁面減薄或者局部穿透[2-3]。利用有限元數值模擬方法可以對球閥在輸送介質過程中的沖蝕磨損問題進行具體分析,通過計算與分析可以得到不同開度下壁面的沖蝕、磨損及磨損速率,對球閥的設計與使用都有一定的指導意義。

2 球閥簡化模型

由于著重分析高速介質對球閥的磨損影響,因此只建立球閥流道與球體的簡化模型,對球閥其它部件的影響予以忽略。球閥閥芯的開度設置為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%。根據球閥結構參數,建模時設定端法蘭流道直徑和球體流道直徑相等,流道長度為球閥全長。閥芯開度為20%和50%的球閥簡化實體模型剖面圖分別如圖1、圖2所示。

▲圖1 閥芯開度20%球閥簡化實體模型剖面圖

進行球閥磨損性能分析時,主要考慮介質壓力與流體速度的作用,因此在有限元分析時需要模擬球閥內部流場的作用,并對介質實際通過的流道進行建模。應用Workbench有限元分析軟件,可以對密封區域內的流場進行流道抽取。將所建立的不同開度球閥簡化實體模型導入 Workbench軟件進行流道抽取,可以得到不同閥芯開度下的球閥流道模型。不同閥芯開度下的球閥流道模型如圖3所示。

▲圖2 閥芯開度50%球閥簡化實體模型剖面圖

根據實際使用工況確定模擬條件,筆者以水作為連續相介質進行研究。流體在球閥流道內流經長度較短,流體從入口到出口的溫度變化不會很大,因此將連續相的流體介質設定為不可壓縮流體,其運動黏度為5.7×10-7m2/s。固體顆粒形狀可以簡化為球形,直徑設定為20 μm,密度為2 600 kg/m3。模擬條件基本符合設計要求。

▲圖3 不同閥芯開度下球閥流道模型

流場分析中的離散相模型只需要考慮流體介質和固體顆粒之間的相互作用,不需要考慮固體顆粒之間的相互作用,所以離散相模型可以用于模擬分析湍流流體介質中含有稀疏顆粒相的工況[4-5]。應用離散相模型來模擬流體與固體顆粒對閥芯的磨損影響時,固體顆粒的體積分數需控制在10%以內。在實際模擬計算時,將固體顆粒的體積分數設定為3%。

流體介質的入口以速度作為邊界條件,介質的速度設定為25 m/s。出口邊界條件設定為自由流出,介質與壁面之間無相對滑移現象。流體介質與固體顆粒由入口釋放,固體顆粒進入流道的速度等于入口處流體介質的速度。固體顆粒在流道壁面處的邊界條件設定為反彈類型。由于顆粒小且速度快,因此可以將固體顆粒在流道出口處的邊界條件設定為逃離類型。

3 數學模型

在數值模擬的過程中,需要建立的數學模型有連續性流體介質計算模型、離散相固體顆粒計算模型、磨損量計算模型三種。不可壓縮流體介質運動控制方程可以表示為:

(1)

式中:ρ為流體介質密度;u為流體介質速度;t為時間;f為作用在單位面積上單位質量流體的質量力;p為單位質量流體壓強;μ為流體湍流黏度;(u)為流體黏性體積膨脹函數;(μs)為單位質量流體黏性偏應力函數。

對于模擬所采用的k-ε湍流模型,流體介質的湍流黏度為:

μ=ρcμk2/ε

(2)

式中:cμ為常數;k為流體介質的湍流動能;ε為流體介質湍流的動能耗散率。

基于拉格朗日法的固體離散相顆粒作用力平衡微分方程在x方向的控制方程為:

(3)

式中:up為離散相固體顆粒的運動速率;FD(u-up)為固體顆粒在單位質量下的力函數;gx為重力加速度在x方向上的分量;ρp為固體顆粒密度;Fx為單位質量下其它作用力在x方向上的分量。

依據文獻[6],固體顆粒的運動對碳鋼等金屬材料的磨損速率計算模型表達式為:

(4)

式中:Re為流道壁面磨損速率;N為運動過程中與壁面碰撞的顆粒數量;mp為單個顆粒的質量流量;α為顆粒與壁面碰撞的角度;f(α)為顆粒與壁面碰撞角度的函數;v為顆粒速度;b(v)為顆粒速度函數;A為與材料有關的因子;Fs為顆粒形狀因子,圓形顆粒取0.2,尖銳形顆粒取1,半圓形顆粒取0.53;A1為流道壁面計算單元的面積。

4 磨損性能分析

將不同閥芯開度下的球閥流道模型導入Fluent流體分析軟件,添加模擬條件與邊界條件,分析求解在不同閥芯開度下球閥內部流體介質的流速分布情況及壁面磨損情況[7-14]。閥芯開度為80%時模擬計算,殘差迭代6 981次后收斂。

不同閥芯開度下球閥壁面磨損分布如圖4所示。

由圖4可以看出,當閥芯開度為20%～40%時,介質對球閥壁面的磨損主要出現在入口處,磨損很大;隨著閥芯開度的增大,閥芯處磨損加劇;當閥芯開度達到80%時,壁面磨損變得很小,磨損形狀由原來的帶狀變為點狀和塊狀。

▲圖4 不同閥芯開度下球閥壁面磨損分布

不同閥芯開度下球閥內部介質速度矢量分布如圖5所示。

由圖5可以看出,當閥芯開度較小時,由于閥芯前后較大的壓差和流阻使閥芯微小開口處介質流速很大,并且在出口處形成較為明顯的漩渦回流現象;隨著球閥閥芯開度的增大,閥芯處出現較為明顯的漩渦回流;隨著閥芯開度的進一步增大,閥芯前后壓差減小,內部介質流速減小,并且趨同于入口流速。

閥芯開度與球閥壁面最大磨損速率及內部介質最大流速的變化曲線如圖6所示。

由圖6可以看出,隨著閥芯開度的增大,介質最大流速與壁面磨損速率都相應減小,尤其是當閥芯開度由20%增大至50%的過程中,介質流速和壁面磨損速率變化尤為明顯;當閥芯開度繼續增大時,壁面磨損速率沒有明顯變化,但介質流速仍然繼續減小。壁面磨損變化趨勢和介質流速變化趨勢一致,說明介質流速是影響壁面磨損速率的一個重要因素。閥芯開度較小時,介質流速和磨損速率都較大,所以在操作球閥的過程中,應盡量縮短閥芯開度處于20%～50%區間的時間。

5 結束語

通過對不同閥芯開度下球閥壁面磨損速率及內部介質流速的數值模擬計算,得出隨著閥芯開度的不斷增大,壁面磨損速率減小;當閥芯開度達到80%以上時,壁面磨損速率不再發生明顯變化。壁面磨損區域位置由最初的閥芯入口處改變至閥芯處,再改變至出口和入口與閥芯的連接處,磨損面形狀由最初的帶狀變為點狀和塊狀。隨著閥芯開度的增大,內部介質流速不斷減小。當閥芯開度為20%～50%時,介質流速和壁面磨損速率都較大,因此在操作球閥時應盡量縮短閥芯開度處于20%～50%區間的時間。

▲圖5 不同閥芯開度下球閥內部介質速度矢量分布

▲圖6 閥芯開度與球閥壁面磨損、內部介質流速變化曲線