基于CFD的球阀阀腔流场的数值仿真 -行业资讯

引言

阀门的主要作用是对流体流量、压力和流向进行调节和控制，但在很多场合还要兼顾其振动冲击等性能指标。阀门在开关过程以及在不同开度下，必然会使流场发生变化并产生涡流，而阀门附近的涡流是阀门产生流噪声的主要原因，流场的剧烈运动会对阀体和管道产生冲击进而引起振动，因此对阀门流场的计算是非常必要的。随着计算机技术的发展和计算流体力学理论的深入研究，采用CFD（ComputationalFluidDynamics）方法研究阀门流场特性已在许多方面获得与实验基本一致的效果，包括阀门流噪声、稳态和瞬态液动力计算、振动分析等。

球阀具有流阻小、启闭迅速、结构简单、密封性能较好等优点，广泛应用于船舶冷却水系统及消防、压载、舱底水系统中。球阀中阀体内壁与阀芯球体外壁构成了球阀阀腔，阀腔与密封圈配合，不仅可实现双截断双排放（DBB），定期排放阀中的介质和积滞物，还可实现自动泄压功能，以保护阀体和管路。为了解阀腔对阀门流场特性的影响，进而指导阀门的结构设计与控制，近来针对阀门阀腔结构的研究越来越多。

郑淑娟等对液压锥阀内部流场进行了数值模拟和可视化分析，清楚地反映了锥阀内部的复杂流动情况，为锥阀内部流道结构的优化设计提供了依据。王智伟对地层测试器节流阀阀腔流场进行了数值模拟，并优化了阀腔结构。但船舶某系统中的球阀阀腔流场的数值仿真暂未见文献报道。本研究针对球阀关闭时易产生冲击振动的问题，采用计算流体力学（CFD）的方法对不同开度及不同阀腔通径的球阀流场进行了数值仿真，阐述了不同开度下的流场特性以及阀腔大小对流场特性的影响，为球阀阀腔结构的优化设计提供了参考。

1 学模型

1.1 基本控制方程

船舶某系统中的控制球阀的流场是复杂的黏性的不可压湍流流动，在定常条件下，选用不可压缩的三维连续方程和RANS方程模拟球阀流场。

连续方程：

（1）

动量方程：

（2）

式中，p为作用在流体上的压力；ρ为液体密度；μ为液体的分子黏性系数；μ_t为湍流动力黏性系数；f_i为体积力。

在阀芯与管道的接触区域，由于节流造成流动情况变化复杂，采用湍流模型加壁面函数的方法，减小计算量，提高计算精度。

1.2 湍流模型

利用基于中心节点控制和有限体积法的计算流体力学程序来求解球阀的不可压黏性流场的RANS方程。采用SST湍流模型来封闭方程组，该湍流模型结合了k－ε和k－ω两种湍流模型的特点，适应性强，能较好地模拟黏性底层的流动。

2 CFD仿真计算

2.1 几何建模

船舶某系统中球阀结构如图1所示，阀芯外壁与阀体外壁构成了阀腔，根据几何尺寸计算出阀芯转动范围为0～80°。阀芯球体直径为50mm，采用三维几何建模软件UG分别建立了无阀腔及阀腔通径D（如图1a所示）分别为55mm、60mm、65mm的阀在不同开度下的几何模型。建模时，只保留流场边界。图1b为阀腔通径55mm球阀流场的几何模型。

1.左阀体2.阀芯球体3.右阀体4.阀腔5.密封圈

6.进口管道7.阀芯通道8.出口管道

图1 球阀结构图及球阀流场模型

2.2 网格划分及边界条件设置

网格划分：针对研究对象特点，将球阀整个流体区域分为三部分建模，包括进出口管道、阀芯通道和阀腔，其中进出口管道和阀芯通道采用结构化网格进行划分，阀腔部分采用非结构化网格进行网格划分，如图2所示，网格单元总数约150万。

图2 几何模型网格划分

边界条件设置：根据该系统中球阀的实际工况，设置流域内流体为水，参考压力为1atm，采用总压力进口（4atm）、压力出口（0atm）的边界条件，管道和阀芯、阀体壁面上给定无滑移固体壁面的条件，在近壁面采用标准壁面函数。

3 CFD计算结果分析

CFD作为一种分析复杂三维流场流动特征的方法，借助相应的软件，能够使现实中复杂的不可见的流场细节在计算机这个虚拟平台上实现可视化，可以减少大量的模型试验，对实验无法测量或很难测量的参数也可进行计算和显示。既缩短了研究周期，又节省了费用。

3.1 同一球阀在不同开度下的流场分析

图3是阀腔通径为65mm的球阀在不同开度下出口管道速度流线（逆水流方向看去），当开度小于40°时，流场内具有较强的漩涡，而且流态比较复杂；当开度大于40°时，进口管道中的水流经阀芯节流进入阀芯通道，形成一对大小相等、旋向相反的反对称涡流，经阀芯的二次节流后进入出口管路，形成两对旋向相反的反对称涡流流向出口，其中，靠近节流口的涡流尺度较小。而且，随着阀门开度的增大，涡流的尺度减小。

图3 不同开度下出口管道速度流线图

3.2 不同球阀在相同开度下的流场分析

不同阀腔通径的模型在开度40°时的中剖面的速度矢量如图4所示，在进口管道的右上角和出口管道的左下角，由于被阀体阻挡，分别形成了小尺度涡流，在有阀腔结构的流场中，水流从进口管道经节流以较高的速度冲击在阀芯管壁上，一部分沿着管壁流出阀芯，另一部分沿管壁折回，在由进口管道、阀芯和阀体外壁形成的阀腔下部空间形成了两个较大的涡流。在阀腔上部空间中也存在若干个小尺度涡流，并且这些涡流尺度随阀腔空间的增大而增大。

图4 不同阀腔通径的流场的速度矢量图

图5是球阀在开度40°时的管道出口速度分布图，从图中容易看出，管道出口截面上的低流速区域面积，在无阀腔时最小，在阀腔直径为65mm时**。并且由于管壁的摩擦和流体的黏性，紧贴壁面形成了一层很薄的环状低流速区域。

图5 不同阀腔通径的流场管道出口速度分布图

3.3 不均匀度分析

通过定义流速不均匀度ξ来量化管道出口速度分布情况。定义ξ为：

（3）

式中，Q为管道出口体积流量；υ为管道出口截面上各单元dA上的速度；υ为管道出口截面上的平均速度。

ξ越大，则管道出口截面的速度场就越不均匀；ξ越小，则管道出口截面的速度场就越均匀。其计算结果如图6所示。

图6 不同阀腔大小的流场在不同开度下的出口不均匀度

从上图可以看出管道出口不均匀度随球阀开度的增大而减小，开度小于60°时，不均匀度随开度的变化较大，开度大于60°时，不均匀度随开度的变化很小；且小于60°时，不均匀度随阀腔空间的增大而增大，大于60°时，不均匀度受阀腔的影响很小。这是由于随开度的增大，阀芯通道与阀腔的节流口在减小，流入阀腔的水流也在减少，因此阀腔对整个流场的影响也在减小。

3.4 流量系数分析

阀的流量系数是用来表示阀在某些特定条件下，单位时间内通过流体的体积或重量。我国规定的流量系数的定义为：在给定行程下，阀两端压差为0.1MPa，水的密度为1g/cm³时，流经阀的水的流量，以m³/h表示。流量系数越大说明流体流过阀门时的压力损失越小。流量系数的计算公式如下：

（4）

式中，q_VL为流过阀的体积流量（m³/h）；ρ_L为液体的密度（g/cm³）；Δp为阀前后压力差（MPa）。

流量系数的计算结果如图7所示。

图7 不同阀腔通径的流场在不同开度下的流量系数

由图7可以看出，流量系数随球阀开度的增大而增大；无阀腔和不同阀腔通径的球阀流场的流量系数在相同开度下相差很小，但无阀腔流场流量系数略高于有阀腔流场的流量系数。

4 结论

本研究对球阀在不同开度下的流场进行了数值模拟，通过对流场的可视化分析，以及求解管道出口不均匀度和流量系数，得到了在不同开度下流场的静态特性，并重点分析了阀腔大小对球阀流场的影响。得出以下结论：

1）在一定开度下，由于球阀阀芯的节流，在阀芯通道和出口管道均会出现成对的、大小相等的反对称涡流，并随开度的增大逐渐消失。涡流不仅造成了压力损失，影响了对流量的控制，而且容易产生压力波动和流体噪声；

2）球阀阀腔的存在增加了涡流的数量，而且涡流的尺度随着阀腔空间的增大而增大；不均匀度随阀腔空间的增大而增大，无阀腔流场流量系数略高于有阀腔流场的流量系数，这说明了阀腔空间的增大会增加流场的扰动和管路振动，同时也增大了压力损失；

3）在保证密封的前提下，减小阀腔空间，有助于减少球阀的流噪声。

本研究结果为球阀在减小流噪声方面的阀腔结构优化设计提供了参考。