不同开度下球阀磨损性能分析

□ 雷永强

襄阳汽车职业技术学院 汽车工程学院 湖北襄阳 441021

1 分析背景

良好的密封性能是衡量球阀能否继续正常工作的重要指标,如果球阀长期受高速介质的冲蚀磨损,壁面会不同程度受损,从而使球阀的密封性能大大降低,球阀报废不能继续使用[1]。虽然许多阀门用户与制造企业都先后对阀门关键部位的磨损情况进行了试验验证,但试验往往受试验条件的约束,且运用试验方法只能得到阀门总体质量的变化,无法得到具体的磨损集中区域及磨损区域的磨损速率。阀门在实际使用过程中,呈现的失效形式主要为局部壁面减薄或者局部穿透[2-3]。利用有限元数值模拟方法可以对球阀在输送介质过程中的冲蚀磨损问题进行具体分析,通过计算与分析可以得到不同开度下壁面的冲蚀、磨损及磨损速率,对球阀的设计与使用都有一定的指导意义。

2 球阀简化模型

由于着重分析高速介质对球阀的磨损影响,因此只建立球阀流道与球体的简化模型,对球阀其它部件的影响予以忽略。球阀阀芯的开度设置为20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%。根据球阀结构参数,建模时设定端法兰流道直径和球体流道直径相等,流道长度为球阀全长。阀芯开度为20%和50%的球阀简化实体模型剖面图分别如图1、图2所示。

▲图1 阀芯开度20%球阀简化实体模型剖面图

进行球阀磨损性能分析时,主要考虑介质压力与流体速度的作用,因此在有限元分析时需要模拟球阀内部流场的作用,并对介质实际通过的流道进行建模。应用Workbench有限元分析软件,可以对密封区域内的流场进行流道抽取。将所建立的不同开度球阀简化实体模型导入 Workbench软件进行流道抽取,可以得到不同阀芯开度下的球阀流道模型。不同阀芯开度下的球阀流道模型如图3所示。

▲图2 阀芯开度50%球阀简化实体模型剖面图

根据实际使用工况确定模拟条件,笔者以水作为连续相介质进行研究。流体在球阀流道内流经长度较短,流体从入口到出口的温度变化不会很大,因此将连续相的流体介质设定为不可压缩流体,其运动黏度为5.7×10-7m2/s。固体颗粒形状可以简化为球形,直径设定为20 μm,密度为2 600 kg/m3。模拟条件基本符合设计要求。

▲图3 不同阀芯开度下球阀流道模型

流场分析中的离散相模型只需要考虑流体介质和固体颗粒之间的相互作用,不需要考虑固体颗粒之间的相互作用,所以离散相模型可以用于模拟分析湍流流体介质中含有稀疏颗粒相的工况[4-5]。应用离散相模型来模拟流体与固体颗粒对阀芯的磨损影响时,固体颗粒的体积分数需控制在10%以内。在实际模拟计算时,将固体颗粒的体积分数设定为3%。

流体介质的入口以速度作为边界条件,介质的速度设定为25 m/s。出口边界条件设定为自由流出,介质与壁面之间无相对滑移现象。流体介质与固体颗粒由入口释放,固体颗粒进入流道的速度等于入口处流体介质的速度。固体颗粒在流道壁面处的边界条件设定为反弹类型。由于颗粒小且速度快,因此可以将固体颗粒在流道出口处的边界条件设定为逃离类型。

3 数学模型

在数值模拟的过程中,需要建立的数学模型有连续性流体介质计算模型、离散相固体颗粒计算模型、磨损量计算模型三种。不可压缩流体介质运动控制方程可以表示为:

(1)

式中:ρ为流体介质密度;u为流体介质速度;t为时间;f为作用在单位面积上单位质量流体的质量力;p为单位质量流体压强;μ为流体湍流黏度;(u)为流体黏性体积膨胀函数;(μs)为单位质量流体黏性偏应力函数。

对于模拟所采用的k-ε湍流模型,流体介质的湍流黏度为:

μ=ρcμk2/ε

(2)

式中:cμ为常数;k为流体介质的湍流动能;ε为流体介质湍流的动能耗散率。

基于拉格朗日法的固体离散相颗粒作用力平衡微分方程在x方向的控制方程为:

(3)

式中:up为离散相固体颗粒的运动速率;FD(u-up)为固体颗粒在单位质量下的力函数;gx为重力加速度在x方向上的分量;ρp为固体颗粒密度;Fx为单位质量下其它作用力在x方向上的分量。

依据文献[6],固体颗粒的运动对碳钢等金属材料的磨损速率计算模型表达式为:

(4)

式中:Re为流道壁面磨损速率;N为运动过程中与壁面碰撞的颗粒数量;mp为单个颗粒的质量流量;α为颗粒与壁面碰撞的角度;f(α)为颗粒与壁面碰撞角度的函数;v为颗粒速度;b(v)为颗粒速度函数;A为与材料有关的因子;Fs为颗粒形状因子,圆形颗粒取0.2,尖锐形颗粒取1,半圆形颗粒取0.53;A1为流道壁面计算单元的面积。

4 磨损性能分析

将不同阀芯开度下的球阀流道模型导入Fluent流体分析软件,添加模拟条件与边界条件,分析求解在不同阀芯开度下球阀内部流体介质的流速分布情况及壁面磨损情况[7-14]。阀芯开度为80%时模拟计算,残差迭代6 981次后收敛。

不同阀芯开度下球阀壁面磨损分布如图4所示。

由图4可以看出,当阀芯开度为20%～40%时,介质对球阀壁面的磨损主要出现在入口处,磨损很大;随着阀芯开度的增大,阀芯处磨损加剧;当阀芯开度达到80%时,壁面磨损变得很小,磨损形状由原来的带状变为点状和块状。

▲图4 不同阀芯开度下球阀壁面磨损分布

不同阀芯开度下球阀内部介质速度矢量分布如图5所示。

由图5可以看出,当阀芯开度较小时,由于阀芯前后较大的压差和流阻使阀芯微小开口处介质流速很大,并且在出口处形成较为明显的漩涡回流现象;随着球阀阀芯开度的增大,阀芯处出现较为明显的漩涡回流;随着阀芯开度的进一步增大,阀芯前后压差减小,内部介质流速减小,并且趋同于入口流速。

阀芯开度与球阀壁面最大磨损速率及内部介质最大流速的变化曲线如图6所示。

由图6可以看出,随着阀芯开度的增大,介质最大流速与壁面磨损速率都相应减小,尤其是当阀芯开度由20%增大至50%的过程中,介质流速和壁面磨损速率变化尤为明显;当阀芯开度继续增大时,壁面磨损速率没有明显变化,但介质流速仍然继续减小。壁面磨损变化趋势和介质流速变化趋势一致,说明介质流速是影响壁面磨损速率的一个重要因素。阀芯开度较小时,介质流速和磨损速率都较大,所以在操作球阀的过程中,应尽量缩短阀芯开度处于20%～50%区间的时间。

5 结束语

通过对不同阀芯开度下球阀壁面磨损速率及内部介质流速的数值模拟计算,得出随着阀芯开度的不断增大,壁面磨损速率减小;当阀芯开度达到80%以上时,壁面磨损速率不再发生明显变化。壁面磨损区域位置由最初的阀芯入口处改变至阀芯处,再改变至出口和入口与阀芯的连接处,磨损面形状由最初的带状变为点状和块状。随着阀芯开度的增大,内部介质流速不断减小。当阀芯开度为20%～50%时,介质流速和壁面磨损速率都较大,因此在操作球阀时应尽量缩短阀芯开度处于20%～50%区间的时间。

▲图5 不同阀芯开度下球阀内部介质速度矢量分布

▲图6 阀芯开度与球阀壁面磨损、内部介质流速变化曲线