全焊接球閥的流動特性分析

韓正海 匡茜茜 韓欣霖

江蘇蘇鹽閥門機械有限公司 江蘇 濱海 224500

引言

球閥是常用的調節閥，具有調節性能好使用壽命長等特點，在工業生產中占有重要位置[1]。在石化、天然氣、冶金、電力、造紙等行業輸送管道中的使用更是非常普遍[2]。球閥的流動特性是表征其流場及流量變化的一個參量，流動特性好的球閥能極大提高工作效率，因此對其研究具有重要意義。

目前，隨著數值仿真的方法的不斷完善和計算機硬件的不斷優化，計算流體力學（CFD）成為流場分析的重要工具[3-5]，該方法具有很高的準確性，可輔助對球閥的流阻特性進行研究。SHIRAZI等對不同開度下的流動特性進行了數值計算，討論了閥芯出口出現的壓差和渦流，并通過現有文獻的數據對模擬結果進行了驗證。Ming-Jyh Chern等[6]通過實驗的方法研究了球閥的性能、流型和空化現象。使用粒子跟蹤流可視化方法（PTFV）可以可視化相對于不同閥門開度和入口速度的球形閥內和下游的各種流動模式。蔡偉、薄涵亮、秦本科等[7-8]對組合閥進行了數值模擬實驗和三維流場計算，得到了在不同壓差下的相應穩定流量，然后計算了每個通道的阻力系數。劉華平、馬波、陳福等[9]通過動態網格的方法對管道系統中常見的四個閥門的流量進行了更加真實的模擬，得到了動態打開和關閉閥門時的流動條件和閥體力，通過模擬可知閥門的開度越來越小時，管道內的流場變得越來越復雜并且出現了渦流。

本文以某公司生產的Q967X-900LB-00型全焊接球閥為例，采用數值模擬的方法，對該裝置的流場及流動特性進行了仿真分析。并得出了全焊接球閥的流阻特性隨開度的變化規律。所做的研究對全焊接球閥的優化設計提供了一定的借鑒意義。

1 物理模型

研究選取了不同開度下的模型進行閥芯流道三維建模。其中，進口流道長度選取為5倍管徑，出口流道長度選取為10倍管徑。部分流道三維模型如圖1所示。

圖1 30%、50%、70%開度下流域三維模型

2 數值計算方法

2.1 控制方程及湍流方程

流體流動遵循質量守恒、動量守恒和能量守恒定律。對于湍流流動還需遵循附加的湍流方程。Realizable k-ε和 RNG k-ε模型在漩渦和旋轉方面顯現出比較好的效果[10]。因此本研究采用Realizable k-ε湍流模型進行數值模擬，其方程為：

2.2 網格劃分

采用自適應網格劃分技術，對過渡曲面及網格尺寸進行細化處理，進行高質量的網格式劃分，有利于計算過程的網格布局，共生成42651個網格，網格模型如圖2所示。

圖2 流道網格

2.3 邊界條件

進口邊界條件設置速度進口為3m/s，出口邊界條件設置壓力出口為0.1013Mpa。設定流體介質為甲烷。并采用有限體積法中的SIMPLE算法。

3 計算結果分析

3.1 流場分布

3.1.1 壓力。圖3為3種不同開度下的壓力分布云圖。可以看出，進口段的壓力最大，出口段的壓力最小，因此在設計球閥的過程中，要特別關注進口區域，防止應力破壞。對于閥芯內部，遠離進出口的壁面出現了局部高壓區，但這一現象隨著開度的增大在逐漸減小。同時隨著球閥的開啟，出口段的壓力逐漸增大，并有與閥芯的壓力逐漸相等的趨勢，與實際情況相符。

圖3 30%、50%、70%開度下球閥壓力云圖

3.1.2 速度。圖4為3種不同開度下的速度分布云圖。可以看出，在閥芯剛開啟后，閥芯進口端速度出現較大值，大量氣體從進口端進入閥芯，隨后從出口端流出閥芯。隨著閥芯的逐步開啟，氣體流通，進口段和出口段的流速逐漸增大，并最終相等，達到平衡。

圖4 30%、50%、70%開度下球閥速度云圖

3.1.3 流線。圖5為3種不同開度下的流線圖。可以看出，在開度較小時，出口段的流線數也較少。隨著開度的增加，流線數在增加的同時，流體的速度也在逐漸增大。同時，從圖中可以看出，閥芯內部產生了較小的渦流，50%開度下尤為明顯。

圖5 30%、50%、70%開度下球閥流線圖

3.2 性能預測

式中，k－靜壓、l－動壓。

下圖6即為不同開度下的壓降變化曲線。可以看出，壓降隨著開度的增加逐漸減小，且減小速度越來越慢。在開度為20%-40%的范圍中，壓降急劇減小，20%開度時的壓降相較于40%時的壓降，下降了近7倍。在開度達到40%以后，隨著開度的繼續增加，壓降變化不明顯。

圖6 壓降

圖7 流量系數

3.2.3 阻力系數。當流體流過閥門結構時，在閥門過流斷面的節流作用下，閥門內部及其下游管道內部將存在一系列的渦流結構，進而引起流體流速的再分配，造成局部能力損失。工程上普遍采用阻力系數來描述流體在閥門處的損失情況。其數學表達式如式（5）。

圖8為球閥的阻力系數變化曲線。可以看出，隨著開度的增大，球閥的阻力系數逐漸下降，當開度達到100%時，阻力系數趨近于零。在開度小于30度時，阻力系數隨著開度的增大在急劇下降；大于60%后，阻力系數變化很小。通過對比可以看出，阻力系數變化規律與壓降變化規律基本一致。

圖8 阻力系數

4 結束語

以全焊接球閥Q967X-900LB-00為例，對其流場進行了仿真分析，分別得到其壓力場，速度場壓力云圖以及流線軌跡圖。仿真結果表明：在閥芯的開啟過程中，進口段區域和閥芯內部局部區域會出現壓力較大的現象，因此在設計球閥的過程中，要特別關注這些區域，防止應力破壞。流線軌跡圖則顯示在球閥工作過程中，閥芯內部會出現渦流現象，這一現象將會導致流體速度發生突變。

對全焊接球閥的壓降，流量特性，阻力特性進行了計算分析，分析結果顯示：壓降隨著開度的增大而減小，流量特性隨著開度的增大而增大，阻力特性隨著開度的增大而減小，且阻力系數變化規律與壓降變化規律基本一致。