廖志芳，王榮輝，譚會攀，唐澤潤，應 銳，羅 爽，蔣 勁

(1.天津市輸水系統(tǒng)水錘閥門控制技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津 300051；2. 博納斯威閥門股份有限公司，天津 300051；3. 武漢大學動力與機械學院水力機械過渡過程教育部重點實驗室，湖北 武漢 430072)

上蓋式半球閥是一種新型閥門，在流體機械行業(yè)尚未得到廣泛應用。但是它具有啟閉力小，流體阻力小，維修方便等優(yōu)點，所以其具有很大的發(fā)展前景。閥門結(jié)構(gòu)復雜，閥門內(nèi)流體的流動特性在一定程度上反應了閥門性能的好壞[1]。因此對上蓋式半球閥內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，分析閥內(nèi)流體的流動狀態(tài)，對閥門的設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。

1 網(wǎng)格模型

采用pumplinx軟件劃分網(wǎng)格并進行求解計算。已知DN1000上蓋式半球閥不同開度的流場三維模型，采用自適應網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格自動加密，上蓋式半球閥網(wǎng)格總輸出為120萬，網(wǎng)格質(zhì)量符合工程仿真要求。圖1為50%開度的球閥網(wǎng)格模型。

圖1 DN1000上蓋式半球閥全局網(wǎng)格

2 計算模型

2.1 控制方程

1)質(zhì)量守恒方程。不管流體是否是恒定流還是非恒定流，亦或密度不變還是密度因為壓力的變化可以變化的情況下，流體的流動過程都在質(zhì)量守恒定律的管轄范圍之中。

式中：ρ為流體的密度；t為時間；u、v、w為在直角坐標系下的流體的速度分量。

2)動量守恒方程。流體在流動過程中，因為外力對其的作用而速度會發(fā)生變化，所以流體的運動同樣受到動量守恒定律的支配。

式中：p是流場控制體上的靜壓強；fx、fy和fz是控制體的質(zhì)量力的分量，若果質(zhì)量力只包含重力，z軸方向垂直向上，那么fx=0，fy=0，fz=-g；?τxx、?τxy和?τxz等是由于流體是粘性流體，所以又粘性力的作用，在控制體表面上產(chǎn)生的粘性應力τ的分量。

3)能量守恒方程。流體運動的能量方程可表述為：流場中任意一個小的控制體的能量在單位時間的變化量，就是單位時間內(nèi)控制體受到外力所做的功和單位時間內(nèi)控制體與外界換熱量的總和。其數(shù)學表述為

式中：E為控制體的能量；Q為外界傳入控制體的熱能；W為外力對控制體做的功；V為控制體體積；e為單位質(zhì)量流體所具有的熱能；u為流體流動的速度。

2.2 數(shù)學模型

本次數(shù)值仿真中都采用RNGk-ε湍流模型，RNGk-ε湍流模型是基于標準k-ε湍流模型，在方程中增加一附加項而生成的。與標準k-ε模型相比，RNGk-ε模型可以更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動[2]。其方程表達式如下：

式中，μeff為有效湍流粘度，是μ與μt之和。

3 數(shù)值仿真模擬及結(jié)果分析

為了研究該閥門的流場特性，給定閥前壓力為0.6 MPa，閥后壓力為0.5 MPa，模擬閥門在8個不同開度下的流場工況。

3.1 流場速度分布

DN1000上蓋式半球閥在不同開度下的速度分布情況如圖2所示。半球閥開度為5%時，閥內(nèi)流體速度很小，水流幾乎被堵住。開度為10%～50%時，隨著開度的增大，閥芯處流速發(fā)生劇烈變化；閥內(nèi)流體流速增加。在閥芯背面出現(xiàn)漩渦，且隨著開度的增大，漩渦所影響的區(qū)域也在變大。上下兩處閥瓣狹窄過流區(qū)域流速很大，對閥座產(chǎn)生一定的沖擊力。閥門開度大于50%時，由于閥芯的阻礙作用變小，閥內(nèi)流體流速變化越來越均勻，流態(tài)越來越平穩(wěn)，閥內(nèi)出現(xiàn)的渦流區(qū)域也在變小。

3.2 流場壓力分布

DN1000上蓋式半球閥在不同開度下的壓力分布情況如圖3所示。由于閥芯上下區(qū)域過流面積忽然變小，導致流體流動狀態(tài)發(fā)生突變，流速變大，壓力變小。閥門開度為5%時，閥前和閥后的壓力差很大。隨著閥門開度的增大，閥前閥后的壓力差逐漸減小。閥門全開時，閥門壓力分布均勻。

3.3 流場湍動能分布

DN1000上蓋式半球閥在不同開度下的湍動能分布情況如圖4所示。閥門開度為5%時，閥門過流能力很低，流體的湍動不明顯。開度為10%～50%時，隨著開度增大，閥門內(nèi)流體的湍動越為劇烈。閥門全開時，閥內(nèi)流體的湍動能變化均勻。

4 計算流阻系數(shù)和流量系數(shù)

流體通過閥門時,會存在一定的阻力損失[3],以閥門的流阻系數(shù)ζ表示。

式中：ΔPv為被試驗閥門的凈壓差，kPa；V為試驗管道的平均流速，m/s；ρ為水的密度，m3/s。

流量系數(shù)是指單位時間內(nèi)，在測試條件中管道保持恒定的壓力，管道介質(zhì)流經(jīng)閥門的體積流量，或是質(zhì)量流量，即閥門的最大流通能力。流量系數(shù)值越大說明流體流經(jīng)閥門的壓力損失越小。本文以流體流經(jīng)閥門，兩端壓差為100 kPa時，以m3/s計的流量數(shù)值，即流量系數(shù)表示。

圖2 DN1000上蓋式半球閥速度分布

圖3 DN1000上蓋式半球閥壓力分布

圖4 DN1000上蓋式半球閥湍動能分布

式中：Q為測得的水流量，m3/h；ΔPv為測得的凈壓差，kPa；ρ為水的密度，kg/m3；ρ0為15℃時水的密度，kg/m3。

通過數(shù)值計算得出不同開度條件的DN1000上蓋式半球閥的流量參數(shù)，并分別繪制開度流量系數(shù)曲線和開度流阻系數(shù)曲線，如圖5。

圖5 DN1000上蓋式半球閥曲線圖

分析圖5的曲線可知，閥門開度為5%時，只有少部分流體通過，流量系數(shù)很小，流阻系數(shù)很大。隨著開度越來越大，DN1000上蓋式半球閥的流量系數(shù)越來越大，流阻系數(shù)越來越小。且開度大于70%時，流量系數(shù)突然增大，流阻系數(shù)變化平緩。當閥門全開時，流阻系數(shù)最小，值為0.217。這表明該球閥的流通能力較強，流體能量損失小。

5 結(jié) 論

本研究對上蓋式偏心半球閥在不同開度下的流場進行了數(shù)值模擬，分析了不同開度下閥內(nèi)流體的流動特性，并通過求解流量系數(shù)曲線和流阻系數(shù)曲線得到了不同開度下閥內(nèi)流場的靜態(tài)特性，為閥門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。數(shù)值仿真結(jié)果表明：

1)隨著開度的增大，閥內(nèi)流體流速在增大；閥前閥后的壓力差在減??；流量系數(shù)在變大，流阻系數(shù)在變??；閥門開度大于70%時，流阻系數(shù)幾乎不變。

2)開度為5%時，水流幾乎被堵住。開度為10%～50%時，閥瓣背后產(chǎn)生漩渦，且隨著開度的增大，渦流所影響的區(qū)域也在變大；開度大于50%時，閥門過流能力變大，閥內(nèi)所出現(xiàn)的渦流區(qū)域變小。

3)閥芯上下兩側(cè)的過流面積突然變小，導致流體的流速變大，壓力變小，流體在此處容易發(fā)生汽化。