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【摘要】利用FLUENT軟件對球閥內部三維流場進行數值模擬仿真。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。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°來實現啟閉的目的，但在很多情況下，動力系統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。流量系數和流阻系數是兩個十分復雜的參數，它們與介質屬性、流體流動狀態、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。并根據相關公式擬合得出在不同開度下，流量系數和流阻系數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實指導意義和應用價值。1.數學模型的建立
模擬采用k-ε湍流模型，來實現對球閥內部的流動狀況進行數值模擬。試驗介質為常溫水，為便于數值計算，對球閥內部流場進行適當簡化：球閥流道計算區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%球閥模型及網格見圖2。

圖2 20%開度球閥模型及網格圖
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，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.流阻系數和流量系數的計算
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Ki，流阻系數K就是各個分流阻系數的總和，即
K=ΣKi （1）
式中：K為流阻系數；Ki為流道各段分流阻系數。
流量系數與局部流阻間相互轉換的經驗關系為
y6789157265（2）
式中：μF為流量系數；F為流通截面面積，m2。
球閥的流阻系數K應包含如下幾個部分：
1）沿程流阻系數Kl；
2）起始段和末端流阻系數K2；
3）突然擴大、縮小和圓柱擾流的流阻系數K3、K4、K5；
4）開度損失流阻系數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K，將結果代入式（2）得到流量系數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，流量系數和流阻系數

從圖10可以看出，在閥芯開度小于40%時，閥門的流量系數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，流阻系數減小相對穩定，但隨著球閥開度的從40%增加到60%時，流阻系數急劇減小，大于80%時，流阻系數趨于一定值。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關系

圖12 閥門開度與壓降的關系
5.結論
1）當閥門開度較小（小于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相同。
2）根據不同關閥角度球閥的數值模擬結果，利用壓降、流阻系數和流量系數換算關系式，計算得到球閥前后壓降與球閥開度之間定量關系曲線，流阻系數與球閥開度之間的關系曲線以及流量系數與球閥開度之間的關系曲線，得出閥門的壓降、流量系數和流阻系數隨閥芯開度的增大時的變化規律。
3）由于球閥實際結構復雜，因此數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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