□ 雷永強

襄陽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)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(xù)正常工作的重要指標(biāo),如果球閥長期受高速介質(zhì)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(xù)使用[1]。雖然許多閥門用戶與制造企業(yè)都先后對閥門關(guān)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(zhì)量的變化,無法得到具體的磨損集中區(qū)域及磨損區(qū)域的磨損速率。閥門在實際使用過程中,呈現(xiàn)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(shù)值模擬方法可以對球閥在輸送介質(zhì)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(shè)計與使用都有一定的指導(dǎo)意義。

2 球閥簡化模型

由于著重分析高速介質(zhì)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(shè)置為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%。根據(jù)球閥結(jié)構(gòu)參數(shù),建模時設(shè)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(zhì)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(nèi)部流場的作用,并對介質(zhì)實際通過的流道進行建模。應(yīng)用Workbench有限元分析軟件,可以對密封區(qū)域內(nèi)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(dǎo)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(jù)實際使用工況確定模擬條件,筆者以水作為連續(xù)相介質(zhì)進行研究。流體在球閥流道內(nèi)流經(jīng)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(xù)相的流體介質(zhì)設(shè)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(shè)定為20 μm,密度為2 600 kg/m3。模擬條件基本符合設(shè)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(zhì)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(zhì)中含有稀疏顆粒相的工況[4-5]。應(yīng)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(shù)需控制在10%以內(nèi)。在實際模擬計算時,將固體顆粒的體積分數(shù)設(shè)定為3%。

流體介質(zhì)的入口以速度作為邊界條件,介質(zhì)的速度設(shè)定為25 m/s。出口邊界條件設(shè)定為自由流出,介質(zhì)與壁面之間無相對滑移現(xiàn)象。流體介質(zhì)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(zhì)的速度。固體顆粒在流道壁面處的邊界條件設(shè)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(shè)定為逃離類型。

3 數(shù)學(xué)模型

在數(shù)值模擬的過程中,需要建立的數(shù)學(xué)模型有連續(xù)性流體介質(zhì)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(zhì)運動控制方程可以表示為:

(1)

式中:ρ為流體介質(zhì)密度;u為流體介質(zhì)速度;t為時間;f為作用在單位面積上單位質(zhì)量流體的質(zhì)量力;p為單位質(zhì)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(shù);(μs)為單位質(zhì)量流體黏性偏應(yīng)力函數(shù)。

對于模擬所采用的k-ε湍流模型,流體介質(zhì)的湍流黏度為:

μ=ρcμk2/ε

(2)

式中:cμ為常數(shù);k為流體介質(zhì)的湍流動能;ε為流體介質(zhì)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(zhì)量下的力函數(shù);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(zhì)量下其它作用力在x方向上的分量。

依據(jù)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(shù)量;mp為單個顆粒的質(zhì)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(shù);v為顆粒速度;b(v)為顆粒速度函數(shù);A為與材料有關(guān)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(dǎo)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(nèi)部流體介質(zhì)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(dāng)閥芯開度為20%～40%時,介質(zhì)對球閥壁面的磨損主要出現(xiàn)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(dāng)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?yōu)辄c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(nèi)部介質(zhì)速度矢量分布如圖5所示。

由圖5可以看出,當(dāng)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(zhì)流速很大,并且在出口處形成較為明顯的漩渦回流現(xiàn)象;隨著球閥閥芯開度的增大,閥芯處出現(xiàn)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(nèi)部介質(zhì)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(nèi)部介質(zhì)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(zhì)最大流速與壁面磨損速率都相應(yīng)減小,尤其是當(dāng)閥芯開度由20%增大至50%的過程中,介質(zhì)流速和壁面磨損速率變化尤為明顯;當(dāng)閥芯開度繼續(xù)增大時,壁面磨損速率沒有明顯變化,但介質(zhì)流速仍然繼續(xù)減小。壁面磨損變化趨勢和介質(zhì)流速變化趨勢一致,說明介質(zhì)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(zhì)流速和磨損速率都較大,所以在操作球閥的過程中,應(yīng)盡量縮短閥芯開度處于20%～50%區(qū)間的時間。

5 結(jié)束語

通過對不同閥芯開度下球閥壁面磨損速率及內(nèi)部介質(zhì)流速的數(shù)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(dāng)閥芯開度達到80%以上時,壁面磨損速率不再發(fā)生明顯變化。壁面磨損區(qū)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?yōu)辄c狀和塊狀。隨著閥芯開度的增大,內(nèi)部介質(zhì)流速不斷減小。當(dāng)閥芯開度為20%～50%時,介質(zhì)流速和壁面磨損速率都較大,因此在操作球閥時應(yīng)盡量縮短閥芯開度處于20%～50%區(qū)間的時間。

▲圖5 不同閥芯開度下球閥內(nèi)部介質(zhì)速度矢量分布

▲圖6 閥芯開度與球閥壁面磨損、內(nèi)部介質(zhì)流速變化曲線