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摘 要：为研究球阀在不同开度下对管路流场的影响，针对某管路球阀，依据k-ε二方程标准湍流模型，利用ANSYS自带的前处理模块DesignModeler和Meshing建立了球阀管路的二维仿真模型并进行了网格划分。设置不同阀门开度，在FLUENT中进行数值模拟，分析了不同阀芯开度下的阀门内部流场。研究发现阀门开度较小时，阀门内部会产生较大速度梯度和压力梯度，部分位置速度、压力值高于初始值数十倍。
关键字：球阀 流场 FLUENT 数值模拟
1 前言
阀门通过改变介质流动截面、流动方向等方式来控制输送管路中的流体压力、流量等流动参数，是液体流动管路中非常重要的调节元件，被广泛应用于水利输送、化工、市政、航空航天等领域，已成为国民经济中不可缺少的工业管路设备之一。
为满足人们对管路流动中压力、流量等物理量的需求，要求使用人员对阀门的特性十分了解，对阀门的控制方法有较为清楚的认识。然而由于阀门的内部结构影响，介质在流经阀门时，会出现漩涡、空化和水击等复杂现象，尤其阀门在打开和关闭过程中，由于开度的瞬态变化，流体介质在经过阀门时，在阀门下游极易产生这些复杂流动，使得人们对阀门水力特性的分析与性能预测产生较大的困难，甚至对输送管路的带来一定的安全隐患和事故。
本文以球阀为例，应用FLUENT仿真软件，研究其在不同开度下液体管路流动中的流量、压力变化。
2 数学模型的建立
流体介质经过球阀时，其流动属于湍流流动，本文中不考虑热传递和能量交换，假设流体为不可压缩流体，忽略流体介质的密度变化，以水为流动介质。采用k-ε二方程标准湍流模型，实现对球阀内部的湍流流动。建立连续性方程和动量方程如下：
连续性方程：
![]() （1）
动量方程：
![]() （2）
式中 ρ———密度
p———压力
μ———粘性系数
gi———重力加速度
Fi———外加作用力
3 仿真模型与边界条件
3.1 尺寸设置
使用Workbench的DesignModeler模块建立阀门管路的仿真模型，由于阀门中流体呈对称分布，因此建立二维仿真模型，简化计算量，并且能够更好地反映阀门内部的流动情况。流动管路直径为150mm，球阀阀芯直径210mm，阀前后管路长500mm，以使流动能够充分发展稳定。以阀芯转动角度确定阀门开度，阀门全关时开度为0°，全开时的开度为90°，分别建立开度为0°（由于受软件功能限制，仿真中取0.8°即为全关）、15°、30°、45°、60°、75°、90°的阀门开度研究流场变化。建立的二维模型如图1所示。
图1 球阀二维模型
3.2 网格划分
利用Meshing模块进行网格划分，为保证计算精度，对网格尺寸划分较小，尽可能多的采用结构化网格，控制网格大小，管路部分网格尺寸为5mm，阀门及附近网格尺寸为2mm，网格总量16000左右，如图2所示。
图2 球阀模型网格划分
3.3 边界条件
为简化计算，设置入口边界条件为速度进口velocity-inlet，大小为20m/s，流动方向为+x方向，y方向速度为0。设置出口边界条件为自由出流outflow，管路壁面为刚性壁面，流体介质为水，温度是常温状态（300K）。
4 仿真结果分析
阀门开度为0°时，仿真模拟结果如图3所示。
图3 球阀开度为0°时速度、压力云图
由于阀门的阻碍作用，在阀门前后的速度流场都是0。但在仿真中，由于软件自身局限，无法使阀门开度达到0°，因此在阀芯内部产生了比较大的涡流；在实际应用中，由于扰动等原因，整个流场中也可能出现类似的涡。其压力图也是较为明显地分为不同压力层次的3个部分，由于阀门的阻塞作用，其入口压力达到1.647×104Pa。图4，5分别是阀门开度为15°，30°时的速度和压力云图。从图可见，阀门开度较小时阀门的流阻较大，表现出十分明显的节流作用。流体按照设定的速度进入阀门，在阀芯的入口和出口处速度相对较大，最大流速出现在阀门出口处，15°和30°时阀门出口速度极值分别大约为初始速度的13.5倍和6.15倍，远远高于初始速度。阀芯处和阀门出口都有强烈的涡流回旋，速度梯度十分明显，且旋转方向相反，在阀门出口处对下游的影响十分显著。其压力分布依然大致分为3个主要区域，阀前表现为高压区，阀后表现为低压区，阀芯处出现了较小的压力变化，在阀门入口和出口处的压力梯度十分明显。
图4 球阀开度为15°时速度、压力云图
图5 球阀开度为30°时速度、压力云图
由于本案例设置出口条件为自由出口，因此在阀门出口之后的管路不受外界压力作用，阀门出口以外的液体会持续向管路出口流动，而该部分液体逐渐减少，相对于该部分的管路前后形成一定的负压。
图6是阀门开度为45°时的速度和压力云图。此时阀门开度处于中等程度，阀门的流阻有所减小，其节流作用也不十分强烈，在阀门出入口已基本形成一定面积的稳定流动，阀芯内部主要流动区域的速度为初始速度1～2倍，阀门出口处的最高速度大约为初始速度的3.12倍。阀芯处和阀门出口依然有较为明显的旋转方向相反的涡流回旋，但速度梯度有所减小，且在阀门出口处对下游的影响域也有所减少。除去阀前管路的高压区和阀后管路的低压区，阀芯处的压力区域向外扩展，在阀门入口和出口处的压力变化范围减小，变化梯度大幅降低。有一部分沿壁面形成了一定流量的管路流动，但阀门以后部分的流动依然在继续，并且由于涡流的作用，该部分处于涡流的中心，因此负压区域依然存在，但在逐步减小。
图6 球阀开度为45°时速度、压力云图
图7，8分别是阀门开度为60°和75°时的速度和压力云图。阀门开度较大，阀门的流阻有很大减小，节流作用进一步变弱，在阀门出入口形成较大范围的稳定流动，阀芯内部的主要流动区域的速度为初始速度1～2倍。阀芯处和阀门出口依然保持着一定的旋转方向相反的涡流回旋，但涡流范围明显缩小，阀门出口处涡流对下游延伸大幅减小。阀前管路和阀后管路的压力差明显减小，阀芯处的压力区域逐渐消失，形成较大范围的压力逐步变化趋势，在阀后较近距离内出现正常的出口压力，负压区域进一步减小。
图7 球阀开度为60°时速度、压力云图
图8 球阀开度为75°时速度、压力云图
图9是阀门开度为90°时的速度和压力云图。
图9 球阀开度为0°时速度、压力云图
此时阀门处于全开状态，其节流作用基本消失。由于模型中球体内部有一定弧度，在流体介质流经阀门时截面面积略有增加，导致阀门处的流动速度有所减小，但对阀门整体流动趋势基本没有影响，阀门前后流体流动速度基本不变。阀门前后区域都保持着一定的压力范围，在阀门内部贴近阀芯部分有较小范围的高压区，但整体压力变化不大。
5 结论
（1）当阀门开度较小时，阀门的节流作用非常明显，在某些区域会产生数倍于初始速度的流动，速度梯度较大。当阀门开度较大时，球阀过流特性较好，流态相对稳定，速度梯度较小。
（2）随着阀门开度的逐渐增大，阀门内部的漩涡范围逐步减小直至消失；在球阀的下游流道内，漩涡间的相互作用逐渐减弱，漩涡大小随着阀门开度的增加而减小，漩涡的形成范围也在逐步减小，最终消失。
（3）由于仿真软件自身局限性和阀门实际结构的复杂性，本文在建模时对阀门结构进行了简化，在某些参数设置上取了一定近似值，因而数值仿真与实际情况存在一定的差异，但总体而言，仿真效果较好。
来源：调节阀信息网
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发表于 2017-6-19 23:26:31
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