毛 偉，鄭雨松，王東瑞，孫 瑾，竇向貞

(1.博雷中國控制系統(tǒng)有限公司，浙江 杭州 311200; 2.浙江理工大學 浙江省流體傳輸技術研究重點實驗室，浙江 杭州 310018)

引言

球閥是常用的調(diào)節(jié)閥，具有調(diào)節(jié)性能好、使用壽命長等特點，在工業(yè)生產(chǎn)中占有重要位置。此外，空化是流體傳輸系統(tǒng)中的一種破壞性現(xiàn)象[1]，會對固體表面造成侵蝕和振動等不良影響，嚴重危害了閥門的安全性和可靠性。因此，對于空化現(xiàn)象的研究具有重要意義。

目前，隨著數(shù)值方法的不斷完善和計算機硬件的不斷優(yōu)化，計算流體力學(CFD)也成為流場分析的重要工具[2-7]，結果表明，該方法具有很高的準確性，可輔助對球閥的流阻特性和空化情況進行大量研究工作。SHIRAZI等[1]對不同開度下的流動特性進行了數(shù)值計算，討論了閥芯出口出現(xiàn)的壓差和渦流，并通過現(xiàn)有文獻對模擬結果進行了驗證。CHERN等[8]采用顆粒跟蹤流可視化(PTFV)方法，對不同開度和進口速度球閥模型的流場進行了分析，并對閥內(nèi)產(chǎn)生的空化現(xiàn)象進行了可視化研究。MOSES等[9]以銅制球閥為研究模型，分析了球閥處于部分開啟狀態(tài)時產(chǎn)生的流體侵蝕與空化侵蝕，并探究了鹽水介質(zhì)與空化現(xiàn)象共同對球閥造成的腐蝕影響。

V形球閥是球閥的一種特殊分支，既保留了球閥的優(yōu)點，并且還具有更優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能。V形球閥的閥芯作為最核心的部件，其截流面積是影響調(diào)節(jié)性能的重要因素。近年來，不少研究人員開始對V形球閥進行探究分析。張皓男等[10]通過數(shù)值模擬的方法研究了V形球閥在小開度下的調(diào)節(jié)性能，提出了優(yōu)化方法，并通過實驗驗證了其合理性。CHERN等[11]采用了實驗與模擬相結合的方法，對3種不同錐角的V形球閥進行了研究，分析了其流動特性，并測量了各性能參數(shù)。MERATI等[12]同時利用CFD和實驗方法，通過斯特勞哈頻率來對V形球閥周圍脫落漩渦的結構與特性進行研究，其中使用了光學多普勒測速儀(LVD)和高速攝像機對相關參數(shù)進行了測量。綜上所述，對V形球閥特性的研究具有一定的重要性和可行性。

目前，工業(yè)制造中使用較為廣泛的是錐角為60°的V形球閥，但對于不同錐角對流場和空化等特性的影響方面的研究還很少。本研究則以40°，60°和80°錐角的V形球閥為研究對象，利用Fluent軟件對其空化和非空化情況下內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬，對比分析了不同錐角和不同開度下V形球閥的流量特性、阻力特性和空化特性。本研究通過對不同錐角V形球閥內(nèi)部流動和空化特性的預測，為其今后在不同場合的實際應用與設計優(yōu)化提供了理論依據(jù)，進一步增強了V形球閥的安全性能。

1 物理模型

V形球閥的錐角會對其內(nèi)部流動產(chǎn)生很大影響。如圖1所示，本研究選取40°，60°，80°的錐角模型進行閥芯流道三維建模。進口流道長度選取為5倍管徑，出口流道長度選取為10倍管徑，圖2為V形球閥在不同開度時的流道圖。

圖1 閥芯與流道模型

2 數(shù)值計算方法

2.1 控制方程和湍流模型

流體流動遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律[13]。對于湍流流動還需遵循附加的湍流方程。Realizablek-ε和RNGk-ε模型在漩渦和旋轉(zhuǎn)方面顯現(xiàn)出比較好的效果[14]。因此本研究采用Realizablek-ε湍流模型進行數(shù)值模擬，其方程為：

Gk+Gb-ρε-YM+Sk

(1)

(2)

2.2 網(wǎng)格劃分

本研究采用ICEM軟件進行非結構網(wǎng)格劃分，并對閥芯部分進行了局部加密，共生成約360萬個網(wǎng)格，結果如圖2所示。

圖2 流道網(wǎng)格

2.3 邊界條件

進口邊界條件設置速度進口為3 m/s，出口邊界條件設置壓力出口為0.1013 MPa；介質(zhì)假定為液態(tài)水，并采用有限體積法中的SIMPLE算法。

3 計算結果分析

3.1 性能預測

1)流量系數(shù)

流量系數(shù)表征閥門的流通能力[15]，其表達式為：

(3)

式中，Kv—— 流量系數(shù)

Q—— 流量

ρ—— 密度

Δp—— 閥前后壓差

圖3a為在不同錐角時，V形球閥流量系數(shù)的變化曲線?？梢钥闯觯髁肯禂?shù)Kv隨著開度ζ的增大而增大，在開度達到100%時達到最大值。對比不同錐角的V形球閥發(fā)現(xiàn)，開度小于40%時不同錐角球閥流量系數(shù)變化規(guī)律相似，開度大于40%時，流量系數(shù)隨著錐角的增大而增大。

圖3 不同錐角時性能曲線

2)阻力系數(shù)

阻力系數(shù)表征流體在管路中受到的阻力作用[16]，其表達式為：

(4)

式中，Kδ—— 阻力系數(shù)

v—— 流體平均流速

圖3b為在不同錐角時，V形球閥阻力系數(shù)的變化曲線。可以看出，隨著開度的增大，不同錐角V形球閥的阻力系數(shù)均逐漸下降；當開度達到100%時，三種V形球閥的阻力系數(shù)均趨于0。對比不同錐角球閥的阻力系數(shù)發(fā)現(xiàn)，最大阻力系數(shù)隨著錐角的增大而減??；在50%開度之后，隨著開度的增大，3種V形球閥的阻力系數(shù)都趨向于0。

3)氣穴指數(shù)

氣穴指數(shù)σ的一般計算公式為：

(5)

式中，σ—— 氣穴指數(shù)

p1—— 進口壓力

p2—— 出口壓力

pv—— 液體飽和蒸氣壓

圖3c為在空化情況下，不同錐角V形球閥氣穴指數(shù)的變化曲線?？梢钥闯?，氣穴指數(shù)σ隨開度和錐角的增大而增大，當氣穴指數(shù)增大時，造成的氣穴損失隨之減小，即V形球閥流道內(nèi)的空化程度及空化影響減小。

3.2 流場分布

1)壓力

圖4a為30%開度時不同錐角V形球閥的壓力云圖。可以看出，進口部分流體的壓力較大，進入閥芯后壓力逐漸減小，閥芯出口處的壓力最小，隨后又逐漸增大。對于閥芯內(nèi)部，遠離進出口的壁面出現(xiàn)了局部高壓區(qū)，且隨著V形球閥錐角的增大，局部高壓區(qū)壓力值逐漸增大。

圖4b為60%開度時不同錐角V形球閥的壓力云圖?？梢钥闯?，進口部分流體的壓力較大，進入閥芯后壓力逐漸減小，在閥芯出口處壓力最小，隨后又逐漸增大。在進口處，40°錐角V形球閥的壓力最大，80°錐角的壓力最小。在閥芯內(nèi)部，遠離進出口的壁面出現(xiàn)了局部高壓區(qū)，其中40°錐角V形球閥的高壓區(qū)最明顯，壓力也最大，60°錐角的高壓區(qū)相對緩和，80°錐角的高壓區(qū)幾乎無變化。說明在60%開度時，大錐角V形球閥的內(nèi)部靜壓下降較慢。

圖4 不同錐角V形球閥的壓力云圖

圖4c為90%開度時不同錐角V形球閥的壓力云圖?？梢钥闯?，進口部分流體的壓力較大，進入閥芯后壓力逐漸減小，在閥芯進口處壓力降到最小，隨后又逐漸增大。在整個流體域中，壓力的變化趨勢并不明顯。在閥芯進口處，40°錐角V形球閥的壓力最小，且低壓區(qū)面積最大；80°錐角的壓力最大，低壓區(qū)面積最小。這是由于大開度時，大錐角V形球閥的流通面積較大，流體經(jīng)過時的靜壓下降幅度較小。

綜上所述，V形球閥進口與出口流通面積的驟變會導致高速帶的產(chǎn)生。大開度時的高速帶范圍更大，因此V形球閥后段的壓力隨開度的增大而增大，在相同開度下整個流道內(nèi)的壓力變化趨勢基本一致，但小開度時流速更大，因此低壓區(qū)的壓力更小。

2)速度

圖5a為30%開度時不同錐角V形球閥的速度云圖。可以看出，在進口處流體速度較小，進入閥芯后開始增大，而在閥芯內(nèi)部逐漸減小，在閥芯出口處又開始增大，并在下游緩慢減小。在閥芯進口處，40°錐角V形球閥的速度最大，80°錐角的速度最小。

圖5 不同錐角V形球閥的速度云圖

圖5b為60%開度時不同錐角V形球閥的速度云圖。可以看出，在進口處流體速度較小，進入閥芯后開始增大，而在閥芯內(nèi)部速度又逐漸減小，在閥芯出口處開始增大，隨后在出口部分速度開始緩慢減小，其中靠近閥芯出口的壁面速度較大，遠離閥芯出口的壁面速度較小。在閥芯進口處，40°錐角V形球閥的速度最大，80°錐角的速度最小，且各錐角V形球閥的速度最大值均遠小于同錐度下30%開度時的速度。

圖5c為90%開度時不同錐角V形球閥的速度云圖。可以看出，在進口處流體速度較小，進入閥芯后開始增大，而在閥芯內(nèi)速度又逐漸減小，在閥芯出口處開始增大，隨后在出口部分速度開始緩慢減小。不同錐角的V形球閥在閥芯的壁面處均出現(xiàn)了不同面積的低速區(qū)，其中40°錐角V形球閥的低速區(qū)面積最大。在閥芯進口處，40°錐角V形球閥的速度最大，80°錐角的速度最小。

3)流線

圖6a為30%開度時不同錐角V形球閥的流線圖。可以看出，在閥芯出口處產(chǎn)生了明顯的渦流，不同錐角V形球閥的渦流都在相同位置。

圖6b為60%開度下不同錐角V形球閥的流線圖?？梢钥闯?，在與圖6a相同的位置也產(chǎn)生了渦流，且同樣是在2個低壓區(qū)中間。在40°與80°錐角兩種情況下，閥芯內(nèi)部產(chǎn)生了較小的渦流。

圖6c為90%開度下不同錐角V形球閥的流線圖。可以看出，未出現(xiàn)渦流，且流線較均勻。在90%開度下流通面積大，基本不會出現(xiàn)速度突變。

圖6 開度時不同錐角V形球閥的流線圖

4)熵產(chǎn)

本研究采用熵產(chǎn)生率(EPR)來分析V形球閥內(nèi)部的能量損失，其表達式為：

(6)

(7)

分別可表示為：

(8)

(9)

μeff=μ+μt

(10)

(11)

式中，μt為湍流黏度；β=0.09；ω為特征頻率；k為湍流模型中的湍流波動動能。

(12)

(13)

(14)

圖7a為30%開度時不同錐角V形球閥的熵產(chǎn)云圖?？梢钥闯?，錐角不同時，閥芯內(nèi)部的熵產(chǎn)分布也不同。隨著V形球閥錐角的增大，其能量損失逐漸減小，40°錐角V形球閥的熵產(chǎn)和分布面積最大，80°錐角的熵產(chǎn)和分布面積相對較小。在30%開度時，能量損失主要集中在V形球閥進口與出口的后端。

圖7 不同錐角V形球閥的熵產(chǎn)云圖

圖7b為60%開度時不同錐角V形球閥的熵產(chǎn)云圖?？梢钥闯觯S著V形球閥錐角的增大，其能量損失呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，40°錐角V形球閥的熵產(chǎn)和分布面積最大，80°錐角的熵產(chǎn)和分布面積相對較小。此外，錐角也影響閥芯內(nèi)部的熵產(chǎn)分布，在小錐角情況下，能量損失程度明顯更大，能量損失的分布范圍明顯更廣，在閥芯角落中也存在能量損失。

圖7c為90%開度時不同錐角V形球閥的熵產(chǎn)云圖?？梢钥闯觯S著V形球閥錐角的增大，其能量損失逐漸減小。40°錐角V形球閥的熵產(chǎn)數(shù)值和分布面積最大，且小錐角V形球閥損失嚴重的區(qū)域主要集中在閥芯進口的后方。

綜上所述，開度與錐角對V形球閥的熵產(chǎn)分布均存在重要影響。錐角越小，則流通面積越小，速度變化也越大。出口速度過大導致劇烈碰撞，從而產(chǎn)生能量損失。因此閥內(nèi)的熵產(chǎn)更大、分布范圍更廣，且能量損失也更嚴重。

5)氣體體積分布

圖8a為30%開度時不同錐角V形球閥的氣體體積分數(shù)分布圖。可以看出，在閥后有空泡區(qū)。由圖6a及其分析可以得出，2個低壓區(qū)中間存在較大的渦流，從而易發(fā)生空化，在錐角增大的過程中，氣體體積分數(shù)的最大值有所降低，這是由于流通面積隨錐角增大而導致的結果。

圖8b是40%開度時不同錐角V形球閥的氣體體積分數(shù)分布圖?？梢钥闯觯麇F角V形球閥的空化發(fā)生在閥芯進口處，但與小開度相比，不管是最大氣體體積分數(shù)還是空化范圍，都有大幅度的降低。這是由于開度達到40%時，流通面積變大，不易形成空化。因此只有在流速變化最劇烈的閥芯進口與出口連接處才有可能發(fā)生空化。

圖8 不同錐角的氣體體積分數(shù)分布圖

綜上所述，錐角和開度都會通過影響流通面積而影響空化。由于流通面積的變化導致了流速變化，進而壓力發(fā)生變化，最終發(fā)生空化?？栈S錐角和開度的增大而減弱。通過對比數(shù)據(jù)，在40°錐角時，空化到70%開度才消失；在60°錐角時，空化在60%開度時消失；在80°錐角時，空化在50%開度時便消失了，而此現(xiàn)象也符合氣穴指數(shù)顯示的空化關系。

4 結論

(1)V形球閥流量系數(shù)隨著錐角的增大而增大，阻力系數(shù)隨著錐角的增大而減小，氣穴指數(shù)隨著錐角的增大而增大；

(2)V形球閥閥后低壓區(qū)的壓力隨開度的增大而增大。而在相同開度下，流道內(nèi)壓力的變化趨勢基本一致。小開度時，V形球閥的閥后低壓區(qū)之間會出現(xiàn)明顯的渦流，且不同錐角下的渦流都處于相同位置。此外，閥芯入口的速度隨錐角的增大而減小。且在不同錐角和開度下，高速區(qū)總是在閥芯入口和出口處產(chǎn)生。再者，V形球閥的錐角越小，則熵產(chǎn)越大，其分布范圍也越廣。開度越大，則熵產(chǎn)越大，其分布范圍也越廣；

(3)V形球閥的開度越大，其空化程度越小。錐角越大，其空化程度也越小。

本研究通過對不同錐角V形球閥內(nèi)部流動和空化特性的預測，為其今后在不同場合的實際應用與設計優(yōu)化提供了理論依據(jù)，進一步增強了V形球閥的安全性能。