球形排污阀流场分析报告书.docx

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球形排污阀流场分析报告书

xxxx

题目：

基于球形排污阀的流场分析

二级学院：

机械工程学院

专业：

机械工程（应）

班级：

2013

学生姓名：

xx

学号：

xx

指导教师姓名：

xx

职称：

教授

评阅教师姓名：

xx

职称：

教授

2014年8月

目录

第一部分设计调研………………………………………………………………………

第二部分设计说明………………………………………………………………………

第三部分总结………………………………………………………………………………

第一部分设计调研

1引言

设计整体高温球阀是采用新型密封材料为阀座,经同类产品聚四氟乙烯做密封的球阀,使用寿命提高了3-5倍。

具有性能稳定、密封可靠、磨擦力小、开关轻便、耐高温、耐磨、耐油、耐腐蚀、使用寿命长等优点，“工洲”牌高温球阀与截止阀、柱塞阀、排污阀，结构长度相符，扩大了球阀使用范围，广泛用于石油、化工、橡胶、造纸、制药等行业，可替代截止阀、柱塞阀、快速排污阀。

适用介质：

水、蒸汽、导热油等酸类，使用温度：

≤350℃。

该型阀门中的球体、密封圈采用了特殊的加工工艺和最新密封材料，使球体表面粗糙度和圆度达到标准要求，从而提高了密封性能和使用寿命、耐高温的能力。

控制方式

自动

电动开启机构分定时控制和压差控制两种方式，采用定时控制时，设有微电脑定时时控开关，可按设定时间要求实现自动清洗排污；采用压差控制时，安装有差压控制器，当进出水口的压差达到设定值（一般取为0.04MPa）时,可实现自动清洗排污，不需要进行人工操作。

此时排污口安装电动排污阀，水流导向阀和电动排污阀实现联动。

性能参数

型号

公称压力

（MPa）

强度试验压力

（MPa）

密封试验压

（MPa）

适用温度

（℃）

适用介质

QQ641M/F-16C

1.6

2.4

1.8

-28～+300（M/F）

导热油、水、蒸汽、气体、油品、硝酸类腐蚀性介质、醋酸类腐蚀性介质

QQ641M/F-25C

2.5

4.0

2.8

-28～+350（PPN）

主要零部件材料

序号

零部件名称

材料

1

阀体

球墨铸铁、碳素钢、铸不锈钢

2

密封圈

（M/F）高强度耐磨碳结石墨≤300℃（PPN）对莅聚苯、温度≤350℃

3

球

不锈钢

4

填料

聚四氟乙烯

5

填料压盖

QT450－10球墨铸铁

6

阀杆

碳素钢、铬不锈钢

7

手柄

碳钢

排污阀主要技术参数：

型号

规格

尺寸

L

D

D1

D2

z-φd

H

b

QQ641M/F-16

15

115

95

65

45

4-14

85

14

20

130

105

75

55

4-14

95

16

25

140

115

85

65

4-14

103

16

32

165

135

100

78

4-18

105

18

40

180

145

110

85

4-18

120

18

50

200

160

125

100

4-18

195

20

65

220

180

145

120

4-18

195

20

80

250

195

160

135

8-18

215

22

100

280

215

180

155

8-18

255

24

本文分析流程在workbench下制作完成，其流程如下所示：

第二部分设计说明

本文基于流体力学知识和workbench平台，对排污阀流道内部进行简易的流场模拟。

基于两侧不同的压力、温度、速度的设置，分析流体对阀体温度变化的影响。

为了对上述效果的实现，分以下几步骤：

A.建立3D模型

本文依据solidworks三维建模软件，参考“排污阀主要技术参数”表，简化了原排污阀实际模型，只要简化的结果不影响实际研究分析结果的准确性的目的即可。

实际建立模型如下所示：

其内部流道与外部阀体配合简图如下：

B.流体域设置

由于要在fluent里计算流场，故需要进行流体域和固体域划分。

本例中需要对排污阀进口、出口以及流固边界层的设置。

如下图：

C.划分网格

网格划分的好坏决定了研究问题求解的准确性，也兼衡了求解精度和求解速度。

在本例中网格划分的关键在于边界面的处理以及部件内各组件的一致搭配，否则，会出现流体域边界与固体域边界节点链接错位的状况。

这会造成计算结果的重大误差。

如下左图表示为边界连接错位，右图表示连接完好的情况。

其次，边界膨胀层的处理，由于流体域在边界层面上流速、压强梯度变化大。

为了能细微、确切、实际的反映边界层流体运动的真实情况。

故而，需要细化网格处理边界即膨胀层设置的引入。

其三维体效果如下，便于直观观察网格质量好坏：

最后整体结构网格划分效果图如下：

C.求解器的设置

本文采用求解基于fluent软件进行有限差分法求解。

在mesh中网格划分完毕后将数据导入到fluent内进行求解。

Fluent依据有限差分法原理分析对象，具有计算精准、可靠性高的优点。

已是流体分析领域主流应用软件之一。

将网格模型读入Fluent如下图：

单位制的确定，Fluent默认的长度单位是M，故得对单位进行转换，下图：

其包含建立模型在X、Y、Z方向尺寸大小。

求解选项预设置：

本次基于压力基求解器计算，其以动量和压力为基本变量，通过连续性方程导出压力和速度的耦合算法。

分析流体运动模型及介质材料确定：

流体介质为水，阀体材料为合金钢。

流、固区域：

流体区域参数设置：

固体区域参数设置：

边界条件设置：

首先确定整体划分哪些分析区域，然后对相应的边界设置，这里边界条件为：

进口速度为2.8，出口压强为一个标准大气压。

计算方案确定

计算方法与计算控制采用默认，计算初始化如下图：

预先设置计算迭代步子并计算：

迭代步数为500

计算迭代结果：

在第106步时，已经收敛，计算完成。

各参量各步运行结果曲线变化图：

D.后处理

后处理阶段在CFD中进行，将fluent中计算结果导入CFD中进行后处理。

将得到的数据导入CFD中，如下图所示：

一般后处理，需要读出流线轨迹，流场中压强分布规律等。

下图分别为进出口流场的压强分布图：

出口的边界条件是一个标准大气压，故上右图表示整个出口的大气压没变化。

进口面中，靠近边界面的膨胀层最大为10960Pa,靠近中心最小。

下图看看边界面的压强分布规律，下图所示：

可以发现，从进口面到出口面压强依次降低，靠近进口面最大为10960Pa，靠近出口面达到最小为10130Pa。

也可以以切片形式直观展示，如下图：

观察从进口端到出口端的50条流线轨迹，如下图所示：

下图反映上图的情况，选取其中25条流线轨迹，分析其压强从进口面到出口面的变化情况。

从上图可以看出，进口面内膨胀层内压强变化较为剧烈。

最终，所有压强均为一个标准大气压。

下图所示为，从进口端内到出口端的25条流线速度变化规律，如下：

分析得到，进口区域所有初速度均为2.8m/s，到出口端一部分升高，另一部分降低。

第三部分总结

通过本次流场分析报告的设计，通过workbench平台，走过了基本的设计程序，积累了宝贵的设计经验。

从三维的查数据建模，导入到workbench的DM模块中处理模型和MESH模块中划分网格上收益颇多，对以后处理类似问题打好了基础。

从MESH中导入数据到FLUENT中计算，初步了解了有限差分法计算功能的强大，可以从理论和仿真方面加深对此问题的深入思考。

关于FLUENT动网格的应用，以后继续深入学习。

在CFD-POST后处理模块丰富的表现内容上，了结了有限元分析中的多样性。

这些以后还得继续深入研究。

总之，本次是一次初步尝试，取得的效果对自己科学分析奠定了良好的基础。

最后，感谢xx老师平时给我们深入浅出的悉心讲解，无微不至的有限元实例模版式示范，让我能胸有成竹的完成此次报告，让我以后更有信心继续深入研究。