王佳琪，何世權(quán)，李 力，劉帥帥

（南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京 211816）

0 引言

閥門是經(jīng)濟(jì)建設(shè)中應(yīng)用非常廣泛的一種機(jī)械產(chǎn)品，在許多領(lǐng)域都需應(yīng)用大量的閥門設(shè)備。它是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，通過改變介質(zhì)流通截面積和流動方向，來控制流體流動的一種裝置，具有截?cái)?、調(diào)節(jié)、分流等功能，因此，其工作性能直接影響著整個(gè)管道系統(tǒng)的性能[1-6]。

V型球閥是一種特殊形狀的球閥，此類閥門獨(dú)特之處在于它的閥芯是V型結(jié)構(gòu)，會使閥口對閥座形成剪切作用。因此，V型球閥能夠被廣泛地應(yīng)用在流體介質(zhì)中含有固體顆粒、纖維等工況場合，所以開展固液兩相流及固體顆粒沖蝕磨損研究，具有很重要的意義[7]。本文對DN50的V型球閥在不同開度下的固液兩相流場特性進(jìn)行研究，分析其在不同開度下表面速度云圖、壓力云圖以及粒子流線軌跡，分析其流動特性與沖蝕磨損分布情況。

1 V型球閥結(jié)構(gòu)

V型球閥是眾多類型調(diào)節(jié)閥中的一種，是一種具有直角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的角行程調(diào)節(jié)閥，其具有結(jié)構(gòu)簡單、流體阻力小，流通能力大，密封性能好等特點(diǎn)，同時(shí)具有調(diào)節(jié)范圍廣和等百分比調(diào)節(jié)特性等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。本文所研究的閥門為DN50，PN16的V型球閥，其中閥口開在閥芯球體球冠上，閥芯緊壓在兩端的密封圈上，保證了其密封性。 如圖1示出V型球閥結(jié)構(gòu)示意。

圖1 V型球閥結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of V-shaped ball valve

2 計(jì)算模型與方法

2.1 兩相流理論的研究模型

目前研究固液兩相流的模型大體可分為2類：（1）拉格朗日的“連續(xù)-離散相模型”，把流體當(dāng)成連續(xù)介質(zhì)，顆粒當(dāng)作離散相；（2）歐拉的“雙流體模型”，該模型將離散的顆粒相假設(shè)為連續(xù)的“擬流體”，該模型與實(shí)際情況差距會很大[10]。

本文運(yùn)用的是DPM離散相模型，由流體和顆粒組成的彌散多相流體系中，將流體相視為連續(xù)介質(zhì)，分散相視作離散介質(zhì)處理。其中，連續(xù)相數(shù)學(xué)描述采用歐拉方法，求解時(shí)均N-S方程得到速度等參量；分散相采用拉格朗日描述，通過對大量質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方程進(jìn)行積分運(yùn)算得到運(yùn)動軌跡。

2.2 參數(shù)設(shè)置

本文以沙水為工作介質(zhì)，在常溫工作溫度下做如下假設(shè)：（1）液相為不可壓縮流體，顆粒相為離散體系，每相的物理特性均為常數(shù)；（2）顆粒相為球形且均勻的泥沙顆粒，不考慮相變，與管道為碰撞接觸；（3）閥內(nèi)流體為定常流動。

2.3 建立模型

采用三維建模軟件Solidworks對裝配體進(jìn)行三維建模，在閥前與閥后各添加5D和10D長度的管道（D為流道直徑），采用SpaceClaim軟件抽取V型球閥3種不同開度下的流道，在Fluent里的mesh平臺中，對流道進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，劃分采用的是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，強(qiáng)制body size設(shè)為3 mm，并對閥座與球體交接區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。V型球閥轉(zhuǎn)動30°的流道網(wǎng)格如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)約為108 215。

圖2 轉(zhuǎn)動30°時(shí)流道的網(wǎng)格Fig.2 The girds of the flow channel when rotated by 30°

2.4 數(shù)值計(jì)算

對于連續(xù)相的水，在計(jì)算過程中，進(jìn)口邊界條件定義為速度入口，出口邊界定義為初始壓力出口，壓力為0，利用Realizable K-Epsilon湍流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理近壁面問題，直接將近壁面上的變量與湍流中心區(qū)域內(nèi)的變量用半經(jīng)驗(yàn)公式聯(lián)系起來，壁面采用無滑移邊界條件，模擬過程中采用分離變量求解，壓力修正法采用更精確的壓力-耦合方法Coupled算法；對于離散顆粒，在DPM模型中，壁面采用反彈（Reflect）條件[11]，設(shè)置反彈系數(shù)公式見式（1）、（2）；沖擊角函數(shù)見表1；粒徑函數(shù)定義為常數(shù)1.8×10-9，速度指數(shù)定義為常數(shù)2.6。

表1 沖擊角函數(shù)Tab.1 Impact angle function

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本文取30%，50%，80% 3個(gè)相對開度下的V型球閥模型，顆粒直徑設(shè)為0.5 mm，密度設(shè)為1 500 kg/m3，顆粒入口速度設(shè)為0.5 m/s；連續(xù)相的水設(shè)為速度入口，速度設(shè)為2 m/s，出口定義為初始壓力出口。對V型球閥內(nèi)固液兩相流動規(guī)律與沖蝕磨損結(jié)果進(jìn)行對比分析[12-13]。

3.1 液相流場規(guī)律

利用后處理軟件CFD-Post，通過云圖工具得到V型球閥中XZ截面上的壓力云圖如圖3所示，從圖中可以看出，從閥門的進(jìn)口端到閥門的出口端，壓力逐漸減小，壓力梯度變化比較明顯。閥內(nèi)的高壓區(qū)域位于V型閥口前，最大壓力均出現(xiàn)在V型閥口前未流通區(qū)域，當(dāng)流體流經(jīng)V型閥口時(shí)，壓力開始下降，并在閥口后出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)。在開度為30%時(shí)，負(fù)壓區(qū)出現(xiàn)在閥口附近；開度為50%和80%時(shí)在接近閥門出口處出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)。在這3種開度下，閥內(nèi)的最小壓力均小于設(shè)定工況下水的飽和蒸汽壓3.45 kPa，所以，可知當(dāng)流體流過這些區(qū)域時(shí)，在閥門內(nèi)部都發(fā)生了沖蝕磨損現(xiàn)象[14-17]。此外，隨著閥門開度的增大，負(fù)壓區(qū)域隨之減小，這也意味著閥內(nèi)相應(yīng)區(qū)域的沖蝕強(qiáng)度隨之減小。

圖3 不同開度下壓力云圖Fig.3 Pressure nephograms at different opening degrees

由速度云圖4可知，由于球芯V型口的設(shè)計(jì)，當(dāng)流體介質(zhì)流經(jīng)閥口時(shí)，開度減小，流通面積逐漸減小，流體速度逐漸增大，在V型閥口附近形成高速流。隨后流通面積增大，流速又逐漸恢復(fù)平緩；隨著開度增大，流體介質(zhì)在流經(jīng)閥芯口后速度恢復(fù)的越快；在不同開度下流體通過V型球閥的速度均在閥芯入口處最大，隨之逐漸遞減恢復(fù)平穩(wěn)；此外，當(dāng)流體流過V型閥口時(shí)，在閥口后存在回流區(qū)域，且流體流經(jīng)閥口后時(shí)，流體與閥壁分離，在閥內(nèi)發(fā)生了流動分離，對比壓力云圖可知，在閥內(nèi)出現(xiàn)的負(fù)壓區(qū)均處于高速區(qū)域。

圖4 不同開度下速度云圖Fig.4 Velocity nephograms at different opening degrees

3.2 固相顆粒軌跡

圖5示出了不同開度下的固體顆粒在閥門流道中的軌跡。從前文所述，在開度較小時(shí)，高速射流速度比較高，回流渦旋轉(zhuǎn)速度也會更快。從圖中可以看出，在30°開度下，固體顆粒經(jīng)過閥芯后，在回流渦的作用下不斷的撞擊閥芯壁面，造成磨損破壞，經(jīng)過很多次碰撞后，固體顆粒從閥芯出來后，跟隨主流在出口管道處也出現(xiàn)回流渦，不斷撞擊壁面后逐漸恢復(fù)平緩；在50°開度下，顆粒進(jìn)入閥芯流道后會跟隨高速射流形成一束顆粒流道緊貼管道上壁面，部分固體顆粒還因回流渦不斷撞擊壁面，造成磨損；在80°開度下，閥門接近全開，不存在高速射流，固體顆粒在閥芯和出口管道處運(yùn)動平穩(wěn)，部分顆粒會撞擊入口處球體壁面。

圖5 不同開度下粒子軌跡Fig.5 Particle trajectory diagram under different openings

3.3 沖蝕磨損特性分析

由于固體顆粒按一定的速度和角度對材料表面進(jìn)行長時(shí)間的沖擊進(jìn)而損失壁面材料，則會發(fā)生沖蝕現(xiàn)象使管道發(fā)生破損甚至穿孔，圖6示出3種開度下的沖蝕后磨損的分布。

圖6 不同開度下閥門沖蝕磨損分布Fig.6 Valve erosion and wear distribution under different openings

從圖中可以看出，在小開度30°情況下，管道與閥芯流道的夾角較小，高速射流速度很高，固體顆粒以極高的速度沖擊閥芯和管道壁面進(jìn)而造成破壞，在較大開度下，就不會發(fā)生嚴(yán)重的磨損；在3種開度下，閥芯入口處均會出現(xiàn)磨損帶，越靠近閥口處磨損值越大，出現(xiàn)磨損峰值，隨著開度的增加向外側(cè)移動；固體顆粒在閥芯內(nèi)部經(jīng)過各種碰撞反彈以及在出口管的回流渦的作用下，也會造成閥腔內(nèi)部壁面和管道壁面的磨損。

4 結(jié)論

（1）對比分析了3種不同開度下的閥門壓力場和速度場分布可知，閥內(nèi)的高壓區(qū)域位于V型閥口前，當(dāng)流體流經(jīng)V型閥口時(shí)，壓力開始下降，并在閥口后出現(xiàn)了負(fù)壓區(qū)；負(fù)壓區(qū)隨著開度的增大而減小，由最低負(fù)壓-56.358 kPa減小到-9.553 kPa，減小了80%，抑制了閥門的空化損傷。流體流經(jīng)V型閥口時(shí)，在閥口附近形成高速流，在前后壓差保持不變時(shí)，隨著開度的增大，流體介質(zhì)在流經(jīng)閥芯口后速度恢復(fù)越快，最高流速由55.959 m/s2降至4.865 m/s2，閥內(nèi)平均流速由31.477 m/s2減小到2.736 m/s2，下降了90%，閥內(nèi)逐漸回復(fù)平緩。

（2）對比分析3種不同開度下的粒子軌跡圖，可知，固體顆粒隨著開度增大，撞擊壁面的次數(shù)就越少，造成的損失也就越少；在小開度30°和50°時(shí)，在回流渦的作用下不斷的撞擊閥芯壁面，造成磨損破壞，經(jīng)過很多次碰撞后，固體顆粒從閥芯出來后，跟隨主流在出口管道處也出現(xiàn)回流渦，不斷撞擊出口管道壁面后逐漸恢復(fù)平緩。

（3）對比分析3種不同開度下的沖蝕磨損分布，可知顆粒的磨損主要分布在閥口前后面以及閥芯壁面處；隨著開度的增大，流通面積增大，高速射流速度減小，固體顆粒對閥門的沖擊速度就越小，磨損就會越??；在3種開度下，閥芯入口處均會出現(xiàn)磨損帶，越靠近閥口處磨損值越大，出現(xiàn)磨損峰值，隨著開度的增加向外側(cè)移動。隨著開度增大，流速平緩，沖蝕速率降低，由30°時(shí)的下降到80°時(shí)，減小了顆粒與壁面碰撞的幾率，單位面積壁面區(qū)域顆粒沖擊次數(shù)減緩，抑制了V型球閥的沖蝕破壞現(xiàn)象的發(fā)生。