V型球閥閥芯優(yōu)化及流場分析

王佳琪，何世權(quán)，喻臨風(fēng)，張 錦，劉帥帥

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

0 引言

V型球閥作為球閥的一種，其結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)范圍廣，可調(diào)比大小能達到100：1，同時具有調(diào)節(jié)性能好，壽命長等優(yōu)點。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，V型球閥的生產(chǎn)工藝和結(jié)構(gòu)不斷改進，在一些要求精確調(diào)節(jié)流量的工況下，V型球閥是首選。因此，V型球閥已迅速發(fā)展成為一種主要的調(diào)節(jié)閥，廣泛應(yīng)用于造紙、化工、冶金等工業(yè)領(lǐng)域中，其在國民經(jīng)濟生產(chǎn)中占有重要的地位［1-2］。

目前，我國V型球閥的調(diào)節(jié)特性和國外產(chǎn)品相比，缺點在于調(diào)節(jié)范圍較窄、調(diào)節(jié)特性和實際工藝流程調(diào)節(jié)特性存在較大誤差，其主要原因就是不同錐角結(jié)構(gòu)下流通面積滿足不了實際流通量［3-8］，所以，本文對DN50的V型球閥在不同閥芯結(jié)構(gòu)下進行研究，通過改變閥芯的錐角來改變流通面積，對不同閥芯錐角結(jié)構(gòu)下進行模擬分析速度云圖、壓力云圖和流量特性。

1 計算模型

1.1 V型球閥結(jié)構(gòu)

V型球閥是一種具有直角回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的角行程調(diào)節(jié)閥，主要由閥桿、閥體、閥芯球體以及閥座4部分組成，采用Spaceclaim軟件對V型球閥模型進行簡化，去除倒角倒圓等特征以利于數(shù)值模擬的收斂。簡化后V型球閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

V型球閥的閥芯是整個閥門的關(guān)鍵部位，為了應(yīng)對不同工況的調(diào)節(jié)功能，其結(jié)構(gòu)也有相應(yīng)的區(qū)別。V型閥口所開的位置一種開在V型閥芯球體的球冠上，另一種開在閥座上［9］。本文所研究的為某公司DN50，PN16型的V型球閥，閥口開在閥芯球體球冠上，閥芯原始錐角為30°，為增加流通面積，又設(shè)計出2種不同閥芯錐角開度的V型球閥。圖2示出閥芯錐角的示意。

圖2 3種不同錐角的球芯Fig.2 Tree kinds of ball cores with different cone angles

1.2 網(wǎng)格劃分

進行仿真模擬之前，需要抽取模型流道，對流體部分進行網(wǎng)格劃分。采用三維建模軟件Solidworks對裝配體進行三維建模，在閥芯前后分別添加5D，10D長度的管道（D為流道直徑）［10］，用Spaceclaim軟件對流道進行抽取，把流道導(dǎo)入ICEM進行網(wǎng)格劃分，文中采用的網(wǎng)格類型主要是六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格。其中入口及出口的直管處流體部分采用六面體，中心處的閥體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，此處流體則采用四面體網(wǎng)格，并且對網(wǎng)格進行加密處理。經(jīng)過處理的模型控住了計算的規(guī)模，同時保證了計算精度。每個模型至少都保證在100萬網(wǎng)格以上，所有的網(wǎng)格質(zhì)量系數(shù)均大于0.5，完全符合CFD計算精度要求，圖3示出90°錐角在30開度下的網(wǎng)格模型示意。

圖3 網(wǎng)格模型Fig.3 Mesh model

2 定常流動的數(shù)值模擬

本文對閥芯錐角為 30°，60°，90°下 100% 開度下的模型進行數(shù)值模擬，流量特性仿真時模型邊界條件為：V型球閥在實際工況使用時，壓差為0.4 MPa，所以此處入口壓力設(shè)為0.55 MPa，出口壓力設(shè)置為0.15 MPa。其余邊界條件設(shè)為對稱和光滑無滑移壁面條件，湍流模型設(shè)置為工程中應(yīng)用廣泛的κ-ε模型［11-12］。

2.1 壓力場對比分析

利用后處理軟件CFD-Post，通過云圖工具得到V型球閥中Y-Z截面上的壓力如圖4所示。由圖可知，在閥門前后壓差、開度相同，閥芯錐角角度不同的情況下，閥內(nèi)高壓均出現(xiàn)在閥前入口處流體介質(zhì)不能流通的區(qū)域，閥內(nèi)部的低壓區(qū)均分布于閥口附近和閥芯上，在閥的后部，壓力較為穩(wěn)定，低壓面積比較大［13］。隨著閥芯錐角的角度變小，閥內(nèi)的最低壓力越來越小，當(dāng)閥芯錐角為30°時，閥內(nèi)的最低壓力為負壓，遠低于常溫下的飽和蒸氣壓3.45 kPa，閥內(nèi)會出現(xiàn)空化現(xiàn)象，會對閥門造成一定的損壞。在閥芯錐角60°下，閥內(nèi)的最低壓力為6.83 kPa，大于3.45 kPa，閥內(nèi)正常，不會出現(xiàn)空化現(xiàn)象。在閥芯錐角90°下，最低壓力遠大于飽和蒸氣壓，低壓區(qū)域明顯比60°錐角的要小，壓力較穩(wěn)定。在3種閥芯錐角角度下，閥內(nèi)的最低壓力的大小以及低壓區(qū)域存在差異，同樣的壓差中，閥芯錐角角度越小，流通面積越小，閥內(nèi)的最低壓力越低，壓力越不穩(wěn)定，就越容易造成空化現(xiàn)象，造成閥門沖蝕磨損，所以優(yōu)化后的閥芯錐角要優(yōu)于原始結(jié)構(gòu)。

圖4 壓力云圖Fig.4 Pressure nephogram

2.2 速度場對比分析

由速度云圖（圖5）和速度矢量圖（圖6）可知，3種閥芯錐角下，位于閥前的速度矢量分布均較為密集且均勻，流體介質(zhì)流經(jīng)閥口附近均形成了高速流，且形成了流動分離，閥內(nèi)的最大速度不同，閥芯錐角30°閥口附近最大速度為在3種錐角中最大，閥芯錐角90°則最小，這與壓力場相對應(yīng)。在閥芯錐角為30°時，閥內(nèi)的最大速度為33.55 m/s，高于其余2種，流體介質(zhì)在流經(jīng)閥體內(nèi)部時出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，并形成了完整的漩渦。在閥芯錐角60°時有所優(yōu)化，有回流現(xiàn)象，但未出現(xiàn)完整漩渦。閥芯錐角90°時，在V型閥口附近形成高速流，但由于流通面積變大，流速很快又恢復(fù)平緩，流過閥芯后，流速比較平穩(wěn)，因此優(yōu)化后的閥芯結(jié)構(gòu)比原始結(jié)構(gòu)好，說明通過改變V型錐角來調(diào)節(jié)流通面積，影響流量大小的辦法是可行的。

圖5 速度云圖Fig.5 Velocity nephogram

圖6 速度矢量Fig.6 Velocity vector

3 理想流量特性曲線

調(diào)節(jié)閥的流量特性是調(diào)節(jié)閥的重要指標之一，流體介質(zhì)流過管路系統(tǒng)時，因為流道結(jié)構(gòu)以及截面的變化，會出現(xiàn)摩擦現(xiàn)象或者形成氣穴、漩渦，產(chǎn)生附加的能量損失。一般情況下，流量系數(shù)的值越大說明壓力損失越小，內(nèi)部介質(zhì)流通能力就越好［14-16］。在標準條件下一般設(shè)：

式中 Kv——流量系數(shù)；

Q——某一開度下進口流量；

ρ——密度；

ΔP——壓降。

因為最后所得到的進、出口流量都是以質(zhì)量流量kg/s為單位，進行單位換算后可知：

故流量系數(shù)Kv可以改寫為：

3種不同錐角結(jié)構(gòu)在7種開度和壓差為0.4 MPa下監(jiān)測到的進口流量見表1。

表1 進口流量Tab.1 Inlet flow

將表1中數(shù)據(jù)代入式（3）得到流量系數(shù)，以閥芯與閥座開度作為X軸，流量系數(shù)作為Y軸，應(yīng)用Matlab軟件繪制流量特性曲線，如圖7所示。

圖7 流量特性曲線Fig.7 Flow characteristic curve

由上述計算結(jié)果和圖7可知，球閥的不同閥芯角度和開度變化導(dǎo)致相應(yīng)流量變化的百分比相同，也稱為等百分比流量特性［17-18］。在小開度下起到穩(wěn)定平緩調(diào)節(jié)流量的作用，在大開度下調(diào)節(jié)作用是靈敏快速有效的。相同開度下，閥芯錐角大的結(jié)構(gòu)流量系數(shù)更大一些，說明優(yōu)化閥芯錐角角度可以提升閥門的流通能力，同時也說明V型球閥內(nèi)的流動阻力也有所減小，優(yōu)化后的閥芯錐角在實際應(yīng)用中具有一定的優(yōu)勢。

4 結(jié)論

（1）對比分析3種不同結(jié)構(gòu)的閥芯錐角，由壓力場分布可知，閥內(nèi)的高壓區(qū)域均位于V型閥口附近，在錐角為30°原始結(jié)構(gòu)中閥內(nèi)出現(xiàn)負壓區(qū)，最低壓力為-242.67 kPa，遠低于常溫下的飽和蒸氣壓，閥內(nèi)會出現(xiàn)空化現(xiàn)象，對閥門造成一定的損壞，在錐角為60°和90°時，閥內(nèi)的最低壓力分別為6.83，150 kPa，均大于飽和蒸氣壓，且低壓區(qū)域面積明顯小于錐角30°時的情況，閥內(nèi)最大壓力由535.43 kPa降至492.70 kPa，逐漸趨于穩(wěn)定。所以優(yōu)化后的閥芯結(jié)構(gòu)對閥門的使用壽命起到了一定的延長作用。

（2）對比分析3種不同結(jié)構(gòu)的閥芯錐角在速度場中分布情況，當(dāng)流體流經(jīng)V型閥口時，均在閥口附近形成高速流，在壓差不變的情況下，初始閥芯結(jié)構(gòu)閥內(nèi)的最高速度為33.33 m/s2遠大于優(yōu)化后的2種結(jié)構(gòu)，閥芯錐角90°時最低為21.97 m/s2。閥芯錐角30°時，在流經(jīng)閥芯時會出現(xiàn)密集的高速度區(qū)域平均流速為27.77 m/s2，閥芯表面沖刷最為嚴重，隨著閥芯錐角逐漸增大，高速度區(qū)域的平均流速降至22.57，19.53 m/s2，對球閥的沖刷現(xiàn)象逐漸好轉(zhuǎn)。

（3）對比3種結(jié)構(gòu)的閥芯錐角在速度矢量圖分布可知，在初始閥芯結(jié)構(gòu)中，流體流經(jīng)閥芯后流速過大，出現(xiàn)了回流的現(xiàn)象，并形成了完整的漩渦，易發(fā)生湍流及渦流。隨著閥芯錐角的改變，60°時雖然也出現(xiàn)了回流現(xiàn)象，但未造成完整的漩渦，90°時流動趨于穩(wěn)定，因此優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)閥芯周圍流動穩(wěn)定性更好。

（4）通過流量特性曲線可知，3種閥芯錐角結(jié)構(gòu)都符合等百分比流量特性，在常用開度下（30°～90°）內(nèi)，采用更大的錐角角度擁有更好的流通能力。從進口流量上來看，30°錐角的全開狀態(tài)下進口流量（Q=15.827 kg/s）是開度30°（Q=0.987 kg/s）的 16倍，而90°錐角則是 13倍，可以看出錐角改變了V型球閥的流量特性，使其更趨于穩(wěn)定。因此優(yōu)化后的調(diào)節(jié)作用比初始結(jié)構(gòu)更靈敏且快速有效。