通過ICEM軟件，使用結構網格與非結構網格相結合的有限元法以及Fluent 軟件中基于各向同性渦粘性理論的k-ε雙方程模式，求解得到了不同開度下的偏心半球閥內部三維流場的流場圖以及通過計算描繪了相關的閥門固有流量特性等曲線，并進行了相應的分析。

1、概述

　　閥門內部結構復雜，當流體通過閥門時會產生壓差，并成為影響管道局部水頭損失的主要因素。在閥門設計中，不僅注重結構形態，還需要研究不同類型不同結構閥門的內部流場的特殊性與差異性。偏心半球閥具有開關無摩擦，密封不易磨損，啟閉力矩小等優點，可以減小所配執行器的規格。配以多回轉電動執行機構，可實現對介質的調節和嚴密切斷。因此廣泛適用于石油、化工、城市給排水等要求嚴格切斷的工況。本文通過運用Ansys等軟件，對DN250偏心半球閥在不同開度下的流場進行了數值模擬分析。以便為閥門安全與結構優化設計提供參考。

2、計算流程

　　2.1、物理模型

　　使用SolidWorks2014 三維軟件，按照1: 1的比例分別構建偏心半球閥的所有組成部件的物理模型，利用SolidWorks中的裝配體版塊，給部件添加幾何關系、約束，以便組成偏心半球閥真實的物理模型(圖1) 。

圖1 偏心半球閥

　　2.2、結構簡化及網格化分

　　在閥門前后添加進口管道和出口管道。為了便于使用Ansys 中的Fluent 進行分析計算，對偏心半球閥的結構進行優化，并適當簡化流動區域中的圓角和倒角，以加快計算的收斂率。由于閥前閥后幾何形狀簡單都為圓柱體，而閥體腔內部結構復雜，且閥芯結構復雜，所以，在使用ICEM 劃分網格時，對于閥前后的兩段圓柱體流域劃分結構網格，而對中間的復雜區域劃分自適應性比較好的非結構網格。因為結構網格和非結構網格劃分的方法不同，需要在兩種網格交界處建立交界面，即interface1 和interface2(圖2) 。

圖2 開度為50°的偏心半球閥

　　2.3、分析方法

　　閥門內部為湍流，因此設置湍流模型為具有平衡壁面函數的k -ε 模型，對流項均采用二階迎風差分方式進行離散。內部區域設置為fluid，介質選擇為water -liquid。管道入口面設置為速度入口(velocity -inlet) ，速度矢量，沿Y 軸正向。管道出口面設置為出流(Out flow) 邊界條件。interface1 和interface2 設置為interior，其他壁面設置為wall。求解器選擇SIMPLE 算法，默認求解控制參數。流場初始化、設置殘差監視器、設置迭代次數進行求解計算，500 次左右計算收斂。

3、計算分析

　　為了更好的研究偏心半球閥的流場特性，計算了閥門開啟角度從10°～90°，即從微開到全開，且每隔5°計算一次。共計17 個工況。

　　3.1、流場分析

　　在用Fluent 對閥門流域進行計算之后，為了便于更好的對比不同開度下的速度分布，統一設置速度云圖的最小值與最大值的范圍為0 ～6m /s。這樣可以更直觀的從顏色分布就可以看出最大速度出現的位置以及同一位置不同開度下的速度變化(圖3，圖4) 。

圖3 不同開度下Z = 0 平面的速度云圖

圖4 不同開度下Y = 0 平面的速度云圖

　　當偏心半球閥開啟角度為10°( 微小開啟) 時，在閥芯開口邊緣處速度較大，但因為開度較小，速度大的區域較小，對閥體的沖擊也較小。但是此時可以看到在閥芯背面區域，有較小強度的漩渦形成。

　　當偏心半球閥開啟角度為25°時，在閥芯開口邊緣處的速度依然較大，并且此時，速度大的區域增大，對閥芯和閥體的沖擊作用也較強。已能明顯的看出在閥芯背面形成了漩渦區域，流動極其復雜，對閥芯的影響也較大。

　　當偏心半球閥開啟角度為45°或大于45°時，從速度云圖中可以看出，流經閥芯的流體速度分布較為均勻，并且速度不是很大，也沒有漩渦。

　　3.2、閥門損失系數

　　流體流過閥門時，流體的阻力損失以閥門前后的流體壓降Δp 表示。根據水頭損失和局部損失系數可以推出局部損失系數與壓降的關系式。

　　取interface1 和interface2 計算閥門的壓力差，進而計算出閥門的局部損失系數。通過Fluent 中的面加權計算流域中重要截面的速度隨開度的變化曲線(圖5) 。

　　從圖5 中可以看出，閥門進出口的速度在開度較小時，速度值較大，對閥芯和閥體腔的沖刷作用較強，易磨損閥芯和閥體腔。

圖5 計算結果數據分析

4、結語

　　模擬分析結果表明，偏心半球閥在開度大于45°時具有較好的流通性能。另外從局部損失系數隨著開度的變化趨勢可以看出，開啟角度大于40°之后，局部損失系數ξ 趨于一個常數。由此可以得出，此種偏心半球閥不能作為調節閥使用。應該是只適用于完全開啟或完全關閉兩種工況。如果將偏心半球閥用作調節閥，容易損壞閥芯和閥體的結構。因此閥門使用時一定要了解其功能及應用范圍，避免造成不必要的損壞。