基于动网格的球阀流场数值模拟与分析

邝先进，朱华炳

(合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009)

0 引言

球阀在管路中主要用来做切断、分配和改变介质的流动方向。在工作过程中，由于对流体的阻止作用以及不同开度的影响引起流场结构的变化以及复杂涡系的产生，从而导致水头损失，尤其是在球阀突然启闭的过程中，流量变化，引起压强等参数的剧烈变化，不但流动损失会加剧，而且会有剧烈的冲击与振动。这种冲击和振动往往导致阀体的变形与疲劳破坏，继而影响控制和调节精度，严重可能致使整个系统工作失灵[1-2]。

近年来，随着计算流体动力学(CFD)和计算机技术的发展，国内外学者对球阀内部流动做了大量研究工作，大多是针对球阀内部流场的静态数值模拟分析[3-6]。静态的数值模拟分析局限于定常或非定常静态(即阀门静止)研究，找出不同开度、受力、流噪声等与流动参数之间的关系，忽略了设计工作中需考虑的变工况及开关等过程。此外，人们对球阀阀体的分析一般都是从受力的角度讨论其各部分结构的强度和刚度，也忽视了流体压力变化随机激励，产生强烈的共振现象。

本文针对球阀启闭过程，应用FLUENT软件动网格技术结合计算流体力学基本理论进行分析，得到了启闭过程中流场结构和受力变化情况。

1 数学模型

球阀内部的流动可用雷诺时均N-S方程来描述，并采用标准k-ε紊流模型使方程组封闭，为便于数值计算，对球阀流场进行如下简化：球阀流道计算区域内流体为不可压缩流体；忽略热传递和能量交换。其基本方程组[7-8]如下：

连续性方程：

(1)

雷诺方程：

(2)

(3)

式中：μeff=μ+μt;μ=ρCμk2/ε。

k-ε两方程模型：

(4)

(5)

式中：ρ是液体密度；μ是动力粘度；μt是湍动粘度；u、v是速度矢量在x、y方向上的分量，p是作用在流体微元体上的压力；Fx、Fy是作用在微元体上的体力；k是湍动能；σk是与k对应的普朗特数；ε是湍流耗散率；σz是与ε对应的普朗特数；模型经验常数取值分别为：C1z=1.44，C2z=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σz=1.3。

2 动网格技术

2.1 动网格控制方程

流场控制模型是基于流域固定形状的情况，当采用动网格技术后，计算区域是变化的，所以要对上述流场控制模型进行改造，即考虑动边界移动的影响，表达式[9]如下：

(6)

式中：φ是通用变量；Vs是控制体积，m3；Ls是控制体积的边界；u流体时均速度，m/s；ug是动网格边界移动速度，m/s；n是Ls上方向朝外的法向单位向量；Γ是扩散系数；qφ是源项。

2.2 动网格设置

通过编写的Profile文件控制阀芯转动，动网格技术用于调整和更新阀门运动后的网格。根据阀芯运动幅度和旋转角度变化较大，采用动网格技术中动态层结合局部重划的网格更新方法实现网格重新划分。

控制过程为，先让阀芯在0.9s内以100°/s的理想化匀转速开启到全通，自动保存这一过程中每10°的数据结果。开启完成后，暂不立即关闭球阀，而是等待一段时间，避免开启过程中的惯性影响后续模拟结果。暂停足够长时间之后，按原路程同转速关闭阀芯，保存过程中的数据结果。

3 模型与网格

3.1 几何模型

根据球阀的阀体和阀芯均以阀中心线对称布置，可以假设流体只有轴向和径向流动，无切向流动，考虑到流体在球阀阀体内流动的对称性，选取通过轴线的一个流体截面进行分析。即可以把轴对称的球阀简化为二维结构，利用FLUENT前处理软件Gambit建立球阀结构。以某阀门厂固定式球阀型号2"300LB为对象建立几何模型，该球阀通径50 mm，全长216 mm，阀芯直径88 mm。

3.2 计算网格与边界条件

采用非结构化的三角形网格划分流场。考虑到阀芯在转动过程中附近的网格变化剧烈，需要重新划分，故球体边缘网格加密，网格如图1所示。初始网格共36 530个单元，18 729个节点。

边界条件设置球阀左侧为速度入口(velocity-inlet)，速度为0.5 m/s，根据速度流量的关系式，流经面积即通径截面，流量为1 kg/s。右侧设置为自由出口(outflow)，压力为0(相对于大气压)。

图1 网格划分结果示意图

4 流场仿真及分析

4.1 网格移动

在Profile运动边界驱动机制控制下，阀芯有规律的开启关闭。通过动网格技术实现的网格更新，网格重划分具有较高的质量。开启过程中部分瞬时网格如图2所示。

图2 动网格变化示意图

4.2 流场结构分析

动网格技术针对计算区域的几何形状随时间变化的流体动力学进行瞬时动态模拟，可以捕捉球阀内流场瞬时变化，特别是在分析阀内漩涡的生成、运动、合并、分裂、脱落等水流特性，为球阀的设计、结构优化及改进运行参数提供参考。在此选取具有代表性的4个时刻，即阀芯开启、阀芯半开、阀芯半闭和阀芯关闭。这4个时刻涵盖了球阀开闭动态的全部过程(图3)。

图3 瞬时流线图

通过观察图3即对应各个阶段球阀流场的瞬时流线图可以发现，随着阀芯转动，在流道开启的阶段，初始的高速射流跟周围流体的剪切作用引起流道流场结构剧烈的变化，产生众多大小不一的涡系，流道中流量较小，水头损失严重；在流道开启到60°瞬时，流道中的涡系合并成阀芯中的大漩涡，仍然存在较大的水头损失，流道紊乱；在球阀关闭过程中，60°瞬时只有阀芯后侧被压区存在一个较为明显漩涡，而关闭至30°时，流道开始紊乱，小涡系开始形成，关闭过程流场整体保持着较为规律的流向，流速快，水头损失较小。开启和关闭瞬时流场结构表现出明显的不同。

4.3 受力变化

根据模拟阀门开闭过程自动保存的各瞬时数据，整理各个时刻的受力，可得到阀体(wall)和阀芯(ball)受力变化情况如图4所示。图中为了方便地比较开闭过程受力差异，故省去中间全开度等待过程，并且将关闭过程数据按0.9～0 s布置。即图中开启过程对应0.1～0.9折线，关闭过程对应0.9～0 s折线。

从图中可以看出，阀体和阀芯受到粘性力的作用较为一致，且作用的力在开启过程大于关闭过程。这是因为开启过程中，流体从静止到流动过程中需克服的流体粘性。在阀芯开度达到40°时，球阀受到的粘性力降低到可以忽略不计。考虑液体冲击，球体和阀芯的总受力就不尽相同，阀体的总受力表现为关闭过程中受到小于开启过程的流体冲击力，且作用时间比开启过程短；阀芯上的总受力相对均衡，图线几乎重合，表现出在开启和关闭过程中受流体力保持着高度的一致，在小开度下受到剧烈的冲击。

图4 阀芯和阀体受力

5 结语

通过分析动态数值模拟结果，得到以下结论：

1) 球阀开启和关闭过程中流场结构表现出明显的差异，开启过程流场较为紊乱，存在大量涡系，水头损失严重；关闭过程，流场保持着较好的流向，流速快，水头损失较小。

2) 球阀在开启和关闭过程中受到的粘性力大小相差很大，开启时受到很大的粘性力作用，关闭过程中受到的粘性力则小很多；阀体和阀芯总受力也不相同，阀芯在开闭过程中所需克服阻力基本一致，阀体在开启过程中则需承受较大的流体冲击。

3) 通过动网格技术的运用，可以成功地模拟球阀开启和关闭的动态过程。根据模拟得到的结果，能准确分析动态过程中流场结构和所受力冲击的变化情况，弥补了实验的不足，为结构和强度的设计及优化提供思路和依据。

[1] 刘华坪，陈浮，马波 . 基于动网格与PDF技术的阀门流场数值模拟[J]. 汽轮机技术，2008，50(2)：106-108 .

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