电子人社区网讯：
摘 要：为了探索球阀的流阻因数和流量系数随球阀开度的变化关系，运用Fluent软件模拟了球阀的流阻因数和流量系数随球阀开度的变化关系，并运用实验验证了其正确性。结果表明：当球阀开度为25°时，球阀内部已形成了漩涡流动；当开度增大到40°时，形成稳定漩涡；当开度继续增大到80°时，漩涡基本消失。
关键字：球阀 流阻因数 流量系数 开度
随着经济的快速发展，阀门行业也得到了快速发展。球阀因流体阻力小、结构简单、密封可靠、节省能源、流向不受限制、启闭快、适用范围广等优点，近年来在工业管道中得到广泛应用。随着计算机技术和计算流体力学的发展，运用计算流体力学（CFD）软件可以直观地观察流场的流动状态、计算泄漏量和研究流量特性，可见，应用CFD方法对流场进行分析已经成为泵阀领域的研究热点。
1 球阀结构及网格划分
1.1 球阀结构
球阀主要由球体、阀座、阀杆、中体、左右体和下盖等组成，图1所示为一种固定式硬密封球阀与阀座结构示意图。球体由下盖支撑定位，阀座可以移动，在有介质压力作用时，阀座借助流体压力或弹簧力的作用压向球体，建立密封比压形成密封。
图1 球阀结构简图
1.2 网格划分
选取球阀流道为研究对象，分析阀内的压力分布和速度分布。球阀为轴对称结构，为减小计算量，建立一半流体区域，利用Pro/E建立球阀三维模型，用UG抽取流道，将物理模型导入ICEMCFD中进行网格划分。为得到质量较好的网格，对模型尺寸较小的部分进行分割，并采用混合网格，网格划分如图2所示。
图2 球阀网格划分图
2 数值模拟
2.1 边界条件设置
流体介质为25℃常温水，采用k-ε双方程湍流模型、二阶迎风格式离散。为使其更好收敛，采用SIMPLEC算法，把压力校正亚松弛因子设为1，使其有助于收敛。给定进口边界条件为VelocityInlet，速度为3m/s，流体出口相当于在大气压中流动，设出口边界条件为PressureOut，计算中忽略重力对流场的影响。
2.2 模拟结果分析
球阀的开、关过程并非简单的相反过程，刚开启时的流场比即将关闭时要复杂得多，前一过程中管道和阀体流道内存在复杂的多涡结构。所以笔者模拟了球阀的不同开度，分析其在不同开度下的压力分布和速度分布。
从图3可以看出：当球阀开度为25°时，球阀内部已形成了漩涡流动，球阀流场中流速最大值位于球体的进出口处，介质通过阀后区域时，能量损失较大。
图3 开度25°时的压力分布和速度分布图
从图4可看出：当球阀开度为40°时，球阀内部形成了稳定漩涡流动，球阀流场中流速最大值仍位于球体的进出口处，介质的冲涮作用较开度为25°时减弱。
图4 开度40°时的压力分布和速度分布图
从图5可以看出：当球阀开度为80°时，压力和速度减小，最大速度位于球阀的出口处，阀后只有一个较小的漩涡，随着开度的继续增大，漩涡逐渐消失。
图5 开度80°时的压力分布和速度分布图
3 球阀流量试验
在试验过程时，安装有被测阀、流量计、离心泵、调节阀，以及阀门前后压力变送器等。压力变送器分别安装在阀前与阀后5D和10D的位置（D为被测球阀公称直径），测试介质为水，温度为25℃。阀门试验台的装置如图6所示。
图6 阀门试验台装置图
4 流阻因数分析
在一般情况下，闭路阀（闸阀、截止阀、球阀、旋塞阀等）完全开启或者完全关闭，中间位置只能作为例外情况，不是闭路阀的主要工作状态。因此，对于阀门来说，最令人关注的是在关闭件处于开启位置时阻力的大小。流体通过阀门时，其流体阻力损失以阀门前、后的流体压力降表示为：
ξ=2△p/（ρv2） （1）
![]() 式中：ξ为阀门的流阻因数；△p为被测阀门的压力损失，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；v为流体在管道内的平均流速，m/s。从图7可以看出：对于球阀的流阻因数，在开度小于30°时，急速下降；开度在30~40°之间时，流阻因数下降速度有所减慢；当球阀开度超过40°之后，球阀流阻因数下降极慢，无明显变化。
5 流量系数分析
阀门的流体计算是确定与阀门的水力特性有关参数的过程。阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，是指5~40℃之间的常温水流经阀门产生1bar（1bar=100kPa）的压力降时的体积流量，即：
![]() （2）
式中：Kv为阀门的流量系数，m3/（h·bar-1/2）；Q为阀门流量，m3/h；ρ为实验温度下的流体密度，kg/m3；ρ0为同种流体在4℃下的密度，kg/m3；△p为被测阀门的压力损失，bar。
从图8可以看出：当开度小于40°时，流量系数增大缓慢；而当开度大于40°之后，流量系数的增大速度迅速加快。从图7和图8可以看出：当开度等于40°时，都出现了流阻因数和流量系数减小或增大的拐点。![]() 在一定程度上，球阀流阻因数和流量系数的试验值和模拟值存在误差，造成这种误差的原因主要有：实验过程中仪器的精密程度，人为操作的误差，球阀制造过程中加工精度和建模时模型之间的偏差，Fluent软件模拟和实际工况间的误差等。但总体而言，这些误差在允许范围之内，因此，采用软件模拟和试验相结合的方法具有一定的可靠性，从而可以看出Fluent软件在流场分析中的方便性。
图7 流阻系数变化曲线图
图8 流量系数变化曲线图
6 结论
（1）球阀的流阻因数随球阀开度的增大而减小，流量系数随球阀开度的增大而增大。当开度增大到40°时，出现了流阻因数和流量系数变化的拐点。
（2）当球阀开度为25°时，球阀内部已形成了漩涡流动，球阀流场中流速最大值位于球体的进出口处。当开度增大到40°时，形成稳定漩涡；当开度继续增大到80°时，漩涡基本消失。
（3）笔者以标准k-ε模型为依据，采用数值模拟法研究了管道中的球阀不同开度对流态的影响。由于球阀实际结构复杂，笔者在建模时将球阀结构进行了简化，因此数值模拟与实际存在一定的差异。
来源：网络转载
转载请注明：电子人社区 | 
发表于 2016-12-14 10:06:30
收藏
分享
赞同
反对
