基于SolidWorks Flow Simulation優(yōu)化球閥結構

1、基于SolidWorksFlowSimulation優(yōu)化球閥結構作者：暫無來源：智能制造2014年第9期撰文/柳州方鑫汽車裝飾件有限公司陳龍柳州城市職業(yè)學院陳璟柳州市嘉誠汽車飾件系統(tǒng)有限公司李志海廣西新維力科技有限公司鄧昌建應用SolidWorksFlowSimulation對一款球閥半載及滿載狀態(tài)下的直口型和圓口型兩種球體啟閉件進行對比，共設計了四個CFD項目：（1）半載+直口型；（2）半載+直口型；（3）半載+圓口型；（4）滿載+圓口型。通過流體動力學仿真分析，獲得了不同狀態(tài)下的流場壓力云圖及速度云圖；通過流線軌跡可直接地觀察到閥體內流體的運動狀態(tài)；基于CFD分析結果，確定了適應實際需要的

2、球閥的內部結構設計。此外，運用“粒子示蹤”、“表面參數(shù)”及“粒子統(tǒng)計”命令還可預測出若流體中含有的固體雜質時，雜質被流體帶出的概率情況，有助于工作人員在實際操作時，提前對流體雜質進行適當過濾。一、引言球閥因結構簡單、密封性好，而且在一定的公稱通徑范圍內體積較小、重量輕、材料耗用少、安裝尺寸小且驅動力矩小，操作簡便、易實現(xiàn)快速啟閉，是近十幾年來發(fā)展最快的閥門品種之一。其工作原理是：啟閉件（球體）由閥桿帶動，并繞方工球閥作軸線作旋轉運動的閥門，可用于流體的調節(jié)與控制，其中硬密封V型球閥其V型球芯與堆焊硬質合金的金屬閥座之間具有很強的剪切力，特別適用于含纖維、微小固體顆料等介質。球閥的主要特點是本身

3、結構緊湊，適用于水、溶劑、酸和天然氣等一般工作介質，而且還適用于工作條件惡劣的介質，如氧氣、過氧化氫、甲烷和乙烯等，在各行業(yè)得到廣泛的應用。二、項目描述球閥在使用過程中，通過啟閉件的旋轉，控制流體的流量。因啟閉件長期與流體接觸，承受流體的沖壓，容易磨損。為提高球閥的使用壽命，有兩種方法：（1）選用耐磨性好的材料；（2）優(yōu)化球閥內部結構，而結構設計是否合理，需要經過物理實驗來驗證。引入計算流體力學（ComputationalFluidDynamics，CFD）分析后，在做物理實驗之前，需要借用流體分析來預測啟閉件在使用過程中的與流體間的相互作用，以優(yōu)化內部結構。為了更好地驗證球閥在使用中流量、啟

4、閉件閥口狀與流體之間的關系，本文以一款球閥為例，設計了四個CFD方案，運用SolidWorksFlowSimulation軟件對其閥體進行CFD分析，以對比不同的閥口結構及流量下，各結構內的流體流進球閥內部流體流動狀態(tài)，以達到優(yōu)化球閥結構的目的。通過流體分析，可預測不同條件下，流體在球閥內的流動狀態(tài)，通過對比選擇較佳結構設計。此外，球閥的使用者一直有一個誤解，認為若流體中夾雜了顆粒，提前過濾流體可有可無，只要增大流體流量，提高流速，就能把雜質沖走。通過粒子示蹤等分析，粒子隨流體進入球閥后，很難隨流體全部帶走，因此在球閥使用前，要對流體內的雜質進行過濾，十分必要。球閥在使用過程中，流量可通過外部

5、控制，為方便理解，按1kg/s為滿載，0.5kg/s為半載進行對比。目前市面上，球體啟閉件大致也有兩種結構，一種是直口型，一種是圓口型。為更好地進行對比，設計了四個CFD方案，如表1所示。表1K-MFD項目陰細隕目閥口琥1言口型ftIM54It約三、模型簡化及相關參數(shù)解釋簡化模型創(chuàng)建球閥的原始模型非常復雜，簡化處理后，基本組成及坐標系如圖1所示：入口、出口、左半殼、右半殼、手柄及球體啟閉件。流體從入口進入左半殼，沿球閥體啟閉件內部空間，流至右半殼，再從出口流出。球體啟閉件與手柄連接，通過旋轉手柄控制球體啟閉件內流體的流通。球體啟閉件內孔設計有直邊和圓角過渡兩種，以球閥滿載為1kg/s、半載為0

6、.5kg/s為例，可以通過四個CFD項目對比，選擇最適合的內孔設計。相關參數(shù)解釋球閥在工作中，流體可為流體或氣體，若要預測流體中夾雜的固體顆粒等雜質，隨流體的情況，需要進行粒子示蹤分析。相對整個氣體質量流量很小，對氣體流動的影響甚微，因此，可用粒子示蹤法來模擬膠體溶液里懸濁液及物料粒子隨氣流的運動狀況，這類數(shù)值模擬分析是基于以下假設：（1）示蹤粒子是有體積（直徑可設定）的質點；（2）示蹤粒子對流場無影響;（3）示蹤粒子之間無相互作用；（4）示蹤粒子的運動完全由流場決定。四、前處理邊界條件等設置在SolidWorksFlowSimulation中設置：分析類型為內部流動，流體為“水”；其他設置為

7、默認。邊界條件設置：入口流體的質量流量為按表1中各項目的入口流量設置；出口設為環(huán)境壓力。內爲彷電朋姒巾査力bl濾林遶抒網(wǎng)格劃分設置因球閥內部最小縫隙為2mm,則設最小縫隙尺寸為2mm,并選“優(yōu)化薄壁面求解”及“優(yōu)化薄壁面解析”，計算結果詳如表2所示。表2計耳儕況Qid2站4M9K.刊掛譏fllLIJS站檔桎冋一糾松和航勻玄稱4i(HJ-2A1翌)$岸曠4CW；型70&2293311297403371920.2J730390205西302CPU時阿蟲iirias屈曠皿五、求解SolidWorksFlowSimulation可直接進行四個CFD項目的批處理計算，可以節(jié)約大量人工操作的時間，如圖3所

8、示。CP*：-頊TigrMS9S3i：JI口斗r=入冃114S*9.a-01I?3M.J01*E-24.0LLiIHkI-HKI341Z4LILDl514佔301124.1!-1aiJ-Ita.J-D抓巧叮iSJ-2Td-iHI.J-2BiB.7J-LtaISS-JI?71hF-im賽m爸農um曲莊認呂LiVrff.1丹Ib3創(chuàng)已U好打讓yj：M也m：M4fl.ik4l|r卜QtHffitl-H六、結果分析1.靜壓分布云圖圖4是各項目內部流體靜壓分布云圖，從圖中可知，從顏色上觀察，直口型球閥（項目12）的入口與出口的壓差大，而圓口球閥（項目34）的入口與出口的壓差較小。從數(shù)值上定量分析，取入口

9、與出口的表面靜壓平均值，列于表3，明顯觀察到，當入口流量由0.5kg/s（半載）提升到lkg/s（滿載）時，兩種閥體的總背壓都提升了100KPa，但無論是半載還是滿載，圓口閥都比直口閥的背壓低了一倍，背壓降低了，可減輕閥體的承載壓力。在這方面上，圓口閥更有優(yōu)勢，這與實際情況也非常吻合。2.速度分布云圖圖5是各項目內部流體速度分布云圖，可發(fā)現(xiàn)，項目1的最高速度為8.2m/s，項目2的最高速度為16.3m/s,項目3的最高速度為6.9m/s，項目4的最高速度為13.6m/s，隨著入口流量的增加，滿載比半載的速度提高至一倍。相比直兩種球閥，無論是半載還是滿載，圓口閥都比直口閥的最高速度小，這樣可以減

10、緩高速流體對球閥內壁的沖擊。此外，從圖5中也可觀察到，圓口閥對高速流體可起到很好的分流作用，且改變了流體的主流方向，而直口閥缺少這方面功能。因此，圓口閥仍然更有優(yōu)勢。Cc）連目3奠白Im聘血EH融流線軌跡圖6是用“流動軌跡”的方式直觀地顯示內部流體速度場分布，從圖中顏色可看出流體的速度，而箭頭表示出流體的運動軌跡，SolidWorksFlowSimulation還可以做出動畫，能更直觀模擬出流體從進到出的整個動態(tài)過程。在入口設60個條軌跡線（代表流體軌跡），觀察從入口進入閥體內部后流體的走向。從圖6中可知，直口閥（項目12）在紅色圈中的地方，有明顯的與閥體內壁撞擊回彈部位，而圓口閥（項目34）

11、無明顯的撞擊回彈位。此外，還觀察到圓口閥有更好的改變流體流向的功能，這與速度分布云圖的結論也是一致的。歌EI理1=工粒子示蹤及粒子統(tǒng)計流體流經球閥時，或多或少會夾帶一些雜質，通常認為，滿載時因流量大，雜質易隨流體流出。為了更好地模擬流體所含雜質在閥體內的運動情況，可用“粒子研究”來預測不同粒徑的雜質隨流體經過閥體的狀態(tài)，隨流體進入閥體的粒子粒徑也有不同，可設定0.5mm、1mm和2mm三種粒徑，分別計算后，運用“表面參數(shù)”命令，選擇出口面下的粒子數(shù)，進行對比，列于表4。可觀察到，兩種閥體帶出雜質的能力都不佳，當粒徑小時，粒子隨流體出入的概率大,且對于較小粒子（0.5mm），從圓口閥流出的概率大

12、，若粒徑增大（2mm），從圓口閥流出的概率反而相對直口閥低。從分析結果來看，當粒徑為0.5mm時，圓口閥相對直口閥，雜質顆粒更易隨流體流出，而隨著粒徑增大至1mm和2mm,流體通過圓口閥反而更不易隨流體流出，因此將大粒徑的雜質顆粒過濾掉非常有必要。此外，也可大致總結出雜質顆粒帶出情況與流量的關系：無論是粒徑為0.5mm、1mm或是2mm時，均未發(fā)現(xiàn)滿載比半載帶出雜質的能力更好，預測的結果是滿載下，雜質隨流體出能力反而略弱。表4雜質在不同粒徑下納漩入乘出惰況ASH1血自2滾入樸40L?79粒栓為】BLID頊審項目2壩自4040建岀14】d3項目1覽目2項呂3昨聽(0加扳出B22七、結語本文通過對比滿載和半載狀態(tài)下，直口閥和圓口閥四個CFD項目，得出無論是在半載或滿載情況下，圓口閥對輕緩流體對閥腔內壁的沖擊力，減輕整體閥體背壓具有較顯著的功能，因此相對直口閥，圓口閥是較為合適的設計，因此在相同條件下，推薦使用啟閉件是圓口的球閥。需要注意的