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【摘要】利用FLUENT軟件對球閥內部三維流場進行數(shù)值模擬仿真。探究了球閥開度由關閉到逐步增大時閥門的內部流場流動狀態(tài)。分析了球閥在5個不同開度下（20%、40%、60%、80%和**），球閥的內部流場變化情況。
在水壓傳動元件中，球閥是一種應用很廣泛的結構組件。換向閥、先導控制閥、插裝閥和柱塞泵的配流閥均可采用球閥形式。它是利用球體繞閥桿的軸線旋轉90°來實現(xiàn)啟閉的目的，但在很多情況下，動力系統(tǒng)的技術指標的完成很大程度上取決于閥門內部流動的水力特性。流量系數(shù)和流阻系數(shù)是兩個十分復雜的參數(shù)，它們與介質屬性、流體流動狀態(tài)、閥門流道設計結構等諸多因素相關。
正是應用計算流體力學和數(shù)值模擬軟件Fluent，模擬球閥在不同開度下流體在球閥中的流動特性，得出流體流過閥芯前后的壓差。并根據(jù)相關公式擬合得出在不同開度下，流量系數(shù)和流阻系數(shù)與開度大小的關系曲線。對球閥復雜運行工況、研究設計和工程應用領域都具有一定的現(xiàn)實指導意義和應用價值。1.數(shù)學模型的建立
模擬采用k-ε湍流模型，來實現(xiàn)對球閥內部的流動狀況進行數(shù)值模擬。試驗介質為常溫水，為便于數(shù)值計算，對球閥內部流場進行適當簡化：球閥流道計算區(qū)域內流體為不可壓流體；流道內的流動過程為三維不可壓、高雷諾數(shù)湍流流動；忽略熱傳遞和能量交換，按定常流動方法進行模擬。
1）對于不可壓縮粘性流體，其運動可用N-S方程表示，其控制方程為

式中：y6789157251為流體質點的加速度；f為作用在微團上單位質量的質量力；y6789157252為用在微團上單位質量流體的壓強；y6789157253為作用在微團上單位質量流體的粘性體積膨脹；y6789157254為作用在微團上單位質量流體粘性偏應力。
2）標準k-ε雙方程模型，其湍流粘度為
y6789157255
式中：ρ為流體密度；Cμ為常量；k為湍流動能；ε為湍流動能耗散率。
2.閥內部流場三維建模及邊界條件
1）用三維建模軟件SolidWorks依據(jù)球閥的設計圖紙進行合理的簡化，建立的三維模型，如圖1所示。

圖1 閥簡化實體模型剖面圖
2）用Fluent前處理軟件Gambit建立模型并劃分網(wǎng)格，所建立的模型的閥芯開度分別為20%、40%、60%、80%和**即全開。建模時設定球閥通徑為70mm，閥芯球體直徑為90mm，計算流域長度為200mm。開度20%球閥模型及網(wǎng)格見圖2。

圖2 20%開度球閥模型及網(wǎng)格圖
3）邊界條件的設定，入口為速度入口，水的流速為13.0m/s；出口設定為自由流；同時壁面也進行了相應的設定。
3.FLUENT仿真模擬結果分析
1）閥芯開度為20%的數(shù)值模擬見圖3。此時，由于閥芯的開度較小，閥門的流阻較大。從圖3可看出，在閥芯的微小開口處流速很大，由于較大壓差的存在，閥門的出口段形成一個很大的強烈漩渦回流。從圖4可知：在閥芯內部也產(chǎn)生了明顯的渦流。

圖3 閥芯開度為20%，Z=0截面的速度云圖

圖4 閥芯開度為20%，X=0截面的速度矢量圖
2）閥芯開度為40%的數(shù)值模擬如圖5所示。從圖5中可以看出，此時閥芯后的整個出口段仍然持續(xù)著比較強烈的渦流回旋，閥芯處也伴隨著閥門開度的增大也出現(xiàn)了較為的渦流，且旋轉方向相反，這是由于閥芯后部存在局部低壓區(qū)，從球閥上方越過的流體部分轉向下流，從球閥下方流過的流體部分轉向**，于是形成了方向相反的旋渦。閥門的流阻較大。壓差逐漸降低，漩渦周圍邊界流速遠大于中心流速，并且中心壓力**。隨著閥門開度的增大，閥芯處的流動速度減慢，并且渦流有減弱趨勢。

圖5 閥芯開度為40%，Z=0截面的速度云圖
3）閥芯開度為60%的數(shù)值模擬如圖6所示，隨著閥芯開度的不斷增大，壓降減弱，閥門的流阻減小，流體流速也減慢，此時，流道內部的渦流雖然依然存在，但與閥芯開度為40%時相比已明顯減小。

圖6 閥芯開度為60%，Z=0截面的速度云圖
4）閥芯開度為80%的數(shù)值模擬如圖7、圖8所示。從圖7可看出，在模型計算時，殘差迭代在150步以內就已經(jīng)收斂，說明該模型在計算時收斂的較快。此時，壓降基本可以忽略，流體流過閥芯的流速繼續(xù)減弱，閥門流阻較小。由圖8可看出，閥門流道出口處和閥芯處的渦流已基本消失。

圖7 閥芯開度為80%，模擬計算的殘差圖

圖8 閥芯開度為80%，XZ截面的速度矢量圖
5）閥芯開度為**的數(shù)值模擬如圖9所示，此時，由于閥芯已全開，流阻最小，在該種情況下，閥門內的流場與直管道流場已相同。

圖9 閥芯開度為**，Z=0截面的速度矢量圖
4.流阻系數(shù)和流量系數(shù)的計算
由流體流速和流道截面積得出通過球閥的流體流量為50kg/s。計算閥門的流阻系數(shù)時，可以將內腔劃分成等于或大于進口直徑的若干段，對于每一段分別求出一個分阻力系數(shù)Ki，流阻系數(shù)K就是各個分流阻系數(shù)的總和，即
K=ΣKi （1）
式中：K為流阻系數(shù)；Ki為流道各段分流阻系數(shù)。
流量系數(shù)與局部流阻間相互轉換的經(jīng)驗關系為
y6789157265（2）
式中：μF為流量系數(shù)；F為流通截面面積，m2。
球閥的流阻系數(shù)K應包含如下幾個部分：
1）沿程流阻系數(shù)Kl；
2）起始段和末端流阻系數(shù)K2；
3）突然擴大、縮小和圓柱擾流的流阻系數(shù)K3、K4、K5；
4）開度損失流阻系數(shù)K6。
這些計算過程的公式參考閥門技術手冊，再由式（1）計算流阻系數(shù)K，將結果代入式（2）得到流量系數(shù)與閥門開度的關系曲線，如圖10所示。

在給定流量Q=50kg/s條件下，代入μF值，還可以由以下公式求出閥門壓降
y6789157267（3）
式中：Δp閥門的壓力降，MPa；ρ為流體密度，kg/m3；Q為流量，kg/s。
表1 閥芯不同開度下的閥門進出口差壓值，流量系數(shù)和流阻系數(shù)

從圖10可以看出，在閥芯開度小于40%時，閥門的流量系數(shù)隨著閥芯開度的增大而增大，但增加速度相對平緩，在閥芯開度大于60%時，曲線的斜率變化陡然增大，即流量系數(shù)增加也非常迅速。從圖11可以看出，在球閥開度小于40%時，流阻系數(shù)減小相對穩(wěn)定，但隨著球閥開度的從40%增加到60%時，流阻系數(shù)急劇減小，大于80%時，流阻系數(shù)趨于一定值。從圖12可知，當閥芯開度小于40%時，壓降損失巨大，開度為40%到60%為壓降的過度段，當閥芯開度大于60%時，壓降逐漸減小至趨于0。

圖11 閥門開度與流阻系數(shù)關系

圖12 閥門開度與壓降的關系
5.結論
1）當閥門開度較�。ㄐ∮�40%）時，閥門的流阻較大，壓降損失巨大，在閥門的出口段形成一個很大的渦流，在閥芯內部也產(chǎn)生了較明顯的渦流。隨著閥芯開度的不斷增大（大于40%），閥門的流阻急劇減小，同時流道內部的渦流依然存在，但已明顯減小。開度為40%到60%為壓降的過度段，當閥芯開度大于60%時，壓降趨于一定值。當殘差迭代到150步以內就已經(jīng)收斂，即閥芯開度大于80%時，此時閥門的流阻較小，流道的渦流已經(jīng)基本消失，當閥芯全開時，流阻最小，在該情況下，閥門內的流場與直管流道已經(jīng)相同。
2）根據(jù)不同關閥角度球閥的數(shù)值模擬結果，利用壓降、流阻系數(shù)和流量系數(shù)換算關系式，計算得到球閥前后壓降與球閥開度之間定量關系曲線，流阻系數(shù)與球閥開度之間的關系曲線以及流量系數(shù)與球閥開度之間的關系曲線，得出閥門的壓降、流量系數(shù)和流阻系數(shù)隨閥芯開度的增大時的變化規(guī)律。
3）由于球閥實際結構復雜，因此數(shù)值模擬與實際存在一定的偏差，因此可以分析不同流速下的閥門管道流場分布情況。
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