不同锥角V形球阀流动特性分析

毛 伟，郑雨松，王东瑞，孙 瑾，窦向贞

(1.博雷中国控制系统有限公司，浙江 杭州 311200; 2.浙江理工大学 浙江省流体传输技术研究重点实验室，浙江 杭州 310018)

引言

球阀是常用的调节阀，具有调节性能好、使用寿命长等特点，在工业生产中占有重要位置。此外，空化是流体传输系统中的一种破坏性现象[1]，会对固体表面造成侵蚀和振动等不良影响，严重危害了阀门的安全性和可靠性。因此，对于空化现象的研究具有重要意义。

目前，随着数值方法的不断完善和计算机硬件的不断优化，计算流体力学(CFD)也成为流场分析的重要工具[2-7]，结果表明，该方法具有很高的准确性，可辅助对球阀的流阻特性和空化情况进行大量研究工作。SHIRAZI等[1]对不同开度下的流动特性进行了数值计算，讨论了阀芯出口出现的压差和涡流，并通过现有文献对模拟结果进行了验证。CHERN等[8]采用颗粒跟踪流可视化(PTFV)方法，对不同开度和进口速度球阀模型的流场进行了分析，并对阀内产生的空化现象进行了可视化研究。MOSES等[9]以铜制球阀为研究模型，分析了球阀处于部分开启状态时产生的流体侵蚀与空化侵蚀，并探究了盐水介质与空化现象共同对球阀造成的腐蚀影响。

V形球阀是球阀的一种特殊分支，既保留了球阀的优点，并且还具有更优良的调节性能。V形球阀的阀芯作为最核心的部件，其截流面积是影响调节性能的重要因素。近年来，不少研究人员开始对V形球阀进行探究分析。张皓男等[10]通过数值模拟的方法研究了V形球阀在小开度下的调节性能，提出了优化方法，并通过实验验证了其合理性。CHERN等[11]采用了实验与模拟相结合的方法，对3种不同锥角的V形球阀进行了研究，分析了其流动特性，并测量了各性能参数。MERATI等[12]同时利用CFD和实验方法，通过斯特劳哈频率来对V形球阀周围脱落漩涡的结构与特性进行研究，其中使用了光学多普勒测速仪(LVD)和高速摄像机对相关参数进行了测量。综上所述，对V形球阀特性的研究具有一定的重要性和可行性。

目前，工业制造中使用较为广泛的是锥角为60°的V形球阀，但对于不同锥角对流场和空化等特性的影响方面的研究还很少。本研究则以40°，60°和80°锥角的V形球阀为研究对象，利用Fluent软件对其空化和非空化情况下内部流动进行数值模拟，对比分析了不同锥角和不同开度下V形球阀的流量特性、阻力特性和空化特性。本研究通过对不同锥角V形球阀内部流动和空化特性的预测，为其今后在不同场合的实际应用与设计优化提供了理论依据，进一步增强了V形球阀的安全性能。

1 物理模型

V形球阀的锥角会对其内部流动产生很大影响。如图1所示，本研究选取40°，60°，80°的锥角模型进行阀芯流道三维建模。进口流道长度选取为5倍管径，出口流道长度选取为10倍管径，图2为V形球阀在不同开度时的流道图。

图1 阀芯与流道模型

2 数值计算方法

2.1 控制方程和湍流模型

流体流动遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律[13]。对于湍流流动还需遵循附加的湍流方程。Realizablek-ε和RNGk-ε模型在漩涡和旋转方面显现出比较好的效果[14]。因此本研究采用Realizablek-ε湍流模型进行数值模拟，其方程为：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

2.2 网格划分

本研究采用ICEM软件进行非结构网格划分，并对阀芯部分进行了局部加密，共生成约360万个网格，结果如图2所示。

图2 流道网格

2.3 边界条件

进口边界条件设置速度进口为3 m/s，出口边界条件设置压力出口为0.1013 MPa；介质假定为液态水，并采用有限体积法中的SIMPLE算法。

3 计算结果分析

3.1 性能预测

1)流量系数

流量系数表征阀门的流通能力[15]，其表达式为：

(3)

式中，Kv—— 流量系数

Q—— 流量

ρ—— 密度

Δp—— 阀前后压差

图3a为在不同锥角时，V形球阀流量系数的变化曲线。可以看出，流量系数Kv随着开度ζ的增大而增大，在开度达到100%时达到最大值。对比不同锥角的V形球阀发现，开度小于40%时不同锥角球阀流量系数变化规律相似，开度大于40%时，流量系数随着锥角的增大而增大。

图3 不同锥角时性能曲线

2)阻力系数

阻力系数表征流体在管路中受到的阻力作用[16]，其表达式为：

(4)

式中，Kδ—— 阻力系数

v—— 流体平均流速

图3b为在不同锥角时，V形球阀阻力系数的变化曲线。可以看出，随着开度的增大，不同锥角V形球阀的阻力系数均逐渐下降；当开度达到100%时，三种V形球阀的阻力系数均趋于0。对比不同锥角球阀的阻力系数发现，最大阻力系数随着锥角的增大而减小；在50%开度之后，随着开度的增大，3种V形球阀的阻力系数都趋向于0。

3)气穴指数

气穴指数σ的一般计算公式为：

(5)

式中，σ—— 气穴指数

p1—— 进口压力

p2—— 出口压力

pv—— 液体饱和蒸气压

图3c为在空化情况下，不同锥角V形球阀气穴指数的变化曲线。可以看出，气穴指数σ随开度和锥角的增大而增大，当气穴指数增大时，造成的气穴损失随之减小，即V形球阀流道内的空化程度及空化影响减小。

3.2 流场分布

1)压力

图4a为30%开度时不同锥角V形球阀的压力云图。可以看出，进口部分流体的压力较大，进入阀芯后压力逐渐减小，阀芯出口处的压力最小，随后又逐渐增大。对于阀芯内部，远离进出口的壁面出现了局部高压区，且随着V形球阀锥角的增大，局部高压区压力值逐渐增大。

图4b为60%开度时不同锥角V形球阀的压力云图。可以看出，进口部分流体的压力较大，进入阀芯后压力逐渐减小，在阀芯出口处压力最小，随后又逐渐增大。在进口处，40°锥角V形球阀的压力最大，80°锥角的压力最小。在阀芯内部，远离进出口的壁面出现了局部高压区，其中40°锥角V形球阀的高压区最明显，压力也最大，60°锥角的高压区相对缓和，80°锥角的高压区几乎无变化。说明在60%开度时，大锥角V形球阀的内部静压下降较慢。

图4 不同锥角V形球阀的压力云图

图4c为90%开度时不同锥角V形球阀的压力云图。可以看出，进口部分流体的压力较大，进入阀芯后压力逐渐减小，在阀芯进口处压力降到最小，随后又逐渐增大。在整个流体域中，压力的变化趋势并不明显。在阀芯进口处，40°锥角V形球阀的压力最小，且低压区面积最大；80°锥角的压力最大，低压区面积最小。这是由于大开度时，大锥角V形球阀的流通面积较大，流体经过时的静压下降幅度较小。

综上所述，V形球阀进口与出口流通面积的骤变会导致高速带的产生。大开度时的高速带范围更大，因此V形球阀后段的压力随开度的增大而增大，在相同开度下整个流道内的压力变化趋势基本一致，但小开度时流速更大，因此低压区的压力更小。

2)速度

图5a为30%开度时不同锥角V形球阀的速度云图。可以看出，在进口处流体速度较小，进入阀芯后开始增大，而在阀芯内部逐渐减小，在阀芯出口处又开始增大，并在下游缓慢减小。在阀芯进口处，40°锥角V形球阀的速度最大，80°锥角的速度最小。

图5 不同锥角V形球阀的速度云图

图5b为60%开度时不同锥角V形球阀的速度云图。可以看出，在进口处流体速度较小，进入阀芯后开始增大，而在阀芯内部速度又逐渐减小，在阀芯出口处开始增大，随后在出口部分速度开始缓慢减小，其中靠近阀芯出口的壁面速度较大，远离阀芯出口的壁面速度较小。在阀芯进口处，40°锥角V形球阀的速度最大，80°锥角的速度最小，且各锥角V形球阀的速度最大值均远小于同锥度下30%开度时的速度。

图5c为90%开度时不同锥角V形球阀的速度云图。可以看出，在进口处流体速度较小，进入阀芯后开始增大，而在阀芯内速度又逐渐减小，在阀芯出口处开始增大，随后在出口部分速度开始缓慢减小。不同锥角的V形球阀在阀芯的壁面处均出现了不同面积的低速区，其中40°锥角V形球阀的低速区面积最大。在阀芯进口处，40°锥角V形球阀的速度最大，80°锥角的速度最小。

3)流线

图6a为30%开度时不同锥角V形球阀的流线图。可以看出，在阀芯出口处产生了明显的涡流，不同锥角V形球阀的涡流都在相同位置。

图6b为60%开度下不同锥角V形球阀的流线图。可以看出，在与图6a相同的位置也产生了涡流，且同样是在2个低压区中间。在40°与80°锥角两种情况下，阀芯内部产生了较小的涡流。

图6c为90%开度下不同锥角V形球阀的流线图。可以看出，未出现涡流，且流线较均匀。在90%开度下流通面积大，基本不会出现速度突变。

图6 开度时不同锥角V形球阀的流线图

4)熵产

本研究采用熵产生率(EPR)来分析V形球阀内部的能量损失，其表达式为：

(6)

(7)

分别可表示为：

(8)

(9)

μeff=μ+μt

(10)

(11)

式中，μt为湍流黏度；β=0.09；ω为特征频率；k为湍流模型中的湍流波动动能。

(12)

(13)

(14)

图7a为30%开度时不同锥角V形球阀的熵产云图。可以看出，锥角不同时，阀芯内部的熵产分布也不同。随着V形球阀锥角的增大，其能量损失逐渐减小，40°锥角V形球阀的熵产和分布面积最大，80°锥角的熵产和分布面积相对较小。在30%开度时，能量损失主要集中在V形球阀进口与出口的后端。

图7 不同锥角V形球阀的熵产云图

图7b为60%开度时不同锥角V形球阀的熵产云图。可以看出，随着V形球阀锥角的增大，其能量损失呈现出逐渐减小的趋势，40°锥角V形球阀的熵产和分布面积最大，80°锥角的熵产和分布面积相对较小。此外，锥角也影响阀芯内部的熵产分布，在小锥角情况下，能量损失程度明显更大，能量损失的分布范围明显更广，在阀芯角落中也存在能量损失。

图7c为90%开度时不同锥角V形球阀的熵产云图。可以看出，随着V形球阀锥角的增大，其能量损失逐渐减小。40°锥角V形球阀的熵产数值和分布面积最大，且小锥角V形球阀损失严重的区域主要集中在阀芯进口的后方。

综上所述，开度与锥角对V形球阀的熵产分布均存在重要影响。锥角越小，则流通面积越小，速度变化也越大。出口速度过大导致剧烈碰撞，从而产生能量损失。因此阀内的熵产更大、分布范围更广，且能量损失也更严重。

5)气体体积分布

图8a为30%开度时不同锥角V形球阀的气体体积分数分布图。可以看出，在阀后有空泡区。由图6a及其分析可以得出，2个低压区中间存在较大的涡流，从而易发生空化，在锥角增大的过程中，气体体积分数的最大值有所降低，这是由于流通面积随锥角增大而导致的结果。

图8b是40%开度时不同锥角V形球阀的气体体积分数分布图。可以看出，各锥角V形球阀的空化发生在阀芯进口处，但与小开度相比，不管是最大气体体积分数还是空化范围，都有大幅度的降低。这是由于开度达到40%时，流通面积变大，不易形成空化。因此只有在流速变化最剧烈的阀芯进口与出口连接处才有可能发生空化。

图8 不同锥角的气体体积分数分布图

综上所述，锥角和开度都会通过影响流通面积而影响空化。由于流通面积的变化导致了流速变化，进而压力发生变化，最终发生空化。空化随锥角和开度的增大而减弱。通过对比数据，在40°锥角时，空化到70%开度才消失；在60°锥角时，空化在60%开度时消失；在80°锥角时，空化在50%开度时便消失了，而此现象也符合气穴指数显示的空化关系。

4 结论

(1)V形球阀流量系数随着锥角的增大而增大，阻力系数随着锥角的增大而减小，气穴指数随着锥角的增大而增大；

(2)V形球阀阀后低压区的压力随开度的增大而增大。而在相同开度下，流道内压力的变化趋势基本一致。小开度时，V形球阀的阀后低压区之间会出现明显的涡流，且不同锥角下的涡流都处于相同位置。此外，阀芯入口的速度随锥角的增大而减小。且在不同锥角和开度下，高速区总是在阀芯入口和出口处产生。再者，V形球阀的锥角越小，则熵产越大，其分布范围也越广。开度越大，则熵产越大，其分布范围也越广；

(3)V形球阀的开度越大，其空化程度越小。锥角越大，其空化程度也越小。

本研究通过对不同锥角V形球阀内部流动和空化特性的预测，为其今后在不同场合的实际应用与设计优化提供了理论依据，进一步增强了V形球阀的安全性能。