【摘要】利用FLUENT软件对球阀内部三维流场进行数值模拟仿真。探究了球阀开度由关闭到逐步增大时阀门的内部流场流动状态。分析了球阀在5个不同开度下（20%、40%、60%、80%和**），球阀的内部流场变化情况。
在水压传动元件中，球阀是一种应用很广泛的结构组件。换向阀、先导控制阀、插装阀和柱塞泵的配流阀均可采用球阀形式。它是利用球体绕阀杆的轴线旋转90°来实现启闭的目的，但在很多情况下，动力系统的技术指标的完成很大程度上取决于阀门内部流动的水力特性。流量系数和流阻系数是两个十分复杂的参数，它们与介质属性、流体流动状态、阀门流道设计结构等诸多因素相关。
正是应用计算流体力学和数值模拟软件Fluent，模拟球阀在不同开度下流体在球阀中的流动特性，得出流体流过阀芯前后的压差。并根据相关公式拟合得出在不同开度下，流量系数和流阻系数与开度大小的关系曲线。对球阀复杂运行工况、研究设计和工程应用领域都具有一定的现实指导意义和应用价值。1.数学模型的建立
模拟采用k-ε湍流模型，来实现对球阀内部的流动状况进行数值模拟。试验介质为常温水，为便于数值计算，对球阀内部流场进行适当简化：球阀流道计算区域内流体为不可压流体；流道内的流动过程为三维不可压、高雷诺数湍流流动；忽略热传递和能量交换，按定常流动方法进行模拟。
1）对于不可压缩粘性流体，其运动可用N-S方程表示，其控制方程为

式中：y6789157251为流体质点的加速度；f为作用在微团上单位质量的质量力；y6789157252为用在微团上单位质量流体的压强；y6789157253为作用在微团上单位质量流体的粘性体积膨胀；y6789157254为作用在微团上单位质量流体粘性偏应力。
2）标准k-ε双方程模型，其湍流粘度为
y6789157255
式中：ρ为流体密度；Cμ为常量；k为湍流动能；ε为湍流动能耗散率。
2.阀内部流场三维建模及边界条件
1）用三维建模软件SolidWorks依据球阀的设计图纸进行合理的简化，建立的三维模型，如图1所示。

图1 阀简化实体模型剖面图
2）用Fluent前处理软件Gambit建立模型并划分网格，所建立的模型的阀芯开度分别为20%、40%、60%、80%和**即全开。建模时设定球阀通径为70mm，阀芯球体直径为90mm，计算流域长度为200mm。开度20%球阀模型及网格见图2。

图2 20%开度球阀模型及网格图
3）边界条件的设定，入口为速度入口，水的流速为13.0m/s；出口设定为自由流；同时壁面也进行了相应的设定。
3.FLUENT仿真模拟结果分析
1）阀芯开度为20%的数值模拟见图3。此时，由于阀芯的开度较小，阀门的流阻较大。从图3可看出，在阀芯的微小开口处流速很大，由于较大压差的存在，阀门的出口段形成一个很大的强烈漩涡回流。从图4可知：在阀芯内部也产生了明显的涡流。

图3 阀芯开度为20%，Z=0截面的速度云图

图4 阀芯开度为20%，X=0截面的速度矢量图
2）阀芯开度为40%的数值模拟如图5所示。从图5中可以看出，此时阀芯后的整个出口段仍然持续着比较强烈的涡流回旋，阀芯处也伴随着阀门开度的增大也出现了较为的涡流，且旋转方向相反，这是由于阀芯后部存在局部低压区，从球阀上方越过的流体部分转向下流，从球阀下方流过的流体部分转向**，于是形成了方向相反的旋涡。阀门的流阻较大。压差逐渐降低，漩涡周围边界流速远大于中心流速，并且中心压力**。随着阀门开度的增大，阀芯处的流动速度减慢，并且涡流有减弱趋势。

图5 阀芯开度为40%，Z=0截面的速度云图
3）阀芯开度为60%的数值模拟如图6所示，随着阀芯开度的不断增大，压降减弱，阀门的流阻减小，流体流速也减慢，此时，流道内部的涡流虽然依然存在，但与阀芯开度为40%时相比已明显减小。

图6 阀芯开度为60%，Z=0截面的速度云图
4）阀芯开度为80%的数值模拟如图7、图8所示。从图7可看出，在模型计算时，残差迭代在150步以内就已经收敛，说明该模型在计算时收敛的较快。此时，压降基本可以忽略，流体流过阀芯的流速继续减弱，阀门流阻较小。由图8可看出，阀门流道出口处和阀芯处的涡流已基本消失。

图7 阀芯开度为80%，模拟计算的残差图

图8 阀芯开度为80%，XZ截面的速度矢量图
5）阀芯开度为**的数值模拟如图9所示，此时，由于阀芯已全开，流阻*小，在该种情况下，阀门内的流场与直管道流场已相同。

图9 阀芯开度为**，Z=0截面的速度矢量图
4.流阻系数和流量系数的计算
由流体流速和流道截面积得出通过球阀的流体流量为50kg/s。计算阀门的流阻系数时，可以将内腔划分成等于或大于进口直径的若干段，对于每一段分别求出一个分阻力系数Ki，流阻系数K就是各个分流阻系数的总和，即
K=ΣKi （1）
式中：K为流阻系数；Ki为流道各段分流阻系数。
流量系数与局部流阻间相互转换的经验关系为
y6789157265（2）
式中：μF为流量系数；F为流通截面面积，m2。
球阀的流阻系数K应包含如下几个部分：
1）沿程流阻系数Kl；
2）起始段和末端流阻系数K2；
3）突然扩大、缩小和圆柱扰流的流阻系数K3、K4、K5；
4）开度损失流阻系数K6。
这些计算过程的公式参考阀门技术手册，再由式（1）计算流阻系数K，将结果代入式（2）得到流量系数与阀门开度的关系曲线，如图10所示。

在给定流量Q=50kg/s条件下，代入μF值，还可以由以下公式求出阀门压降
y6789157267（3）
式中：Δp阀门的压力降，MPa；ρ为流体密度，kg/m3；Q为流量，kg/s。
表1 阀芯不同开度下的阀门进出口差压值，流量系数和流阻系数

从图10可以看出，在阀芯开度小于40%时，阀门的流量系数随着阀芯开度的增大而增大，但增加速度相对平缓，在阀芯开度大于60%时，曲线的斜率变化陡然增大，即流量系数增加也非常迅速。从图11可以看出，在球阀开度小于40%时，流阻系数减小相对稳定，但随着球阀开度的从40%增加到60%时，流阻系数急剧减小，大于80%时，流阻系数趋于一定值。从图12可知，当阀芯开度小于40%时，压降损失巨大，开度为40%到60%为压降的过度段，当阀芯开度大于60%时，压降逐渐减小至趋于0。

图11 阀门开度与流阻系数关系

图12 阀门开度与压降的关系
5.结论
1）当阀门开度较小（小于40%）时，阀门的流阻较大，压降损失巨大，在阀门的出口段形成一个很大的涡流，在阀芯内部也产生了较明显的涡流。随着阀芯开度的不断增大（大于40%），阀门的流阻急剧减小，同时流道内部的涡流依然存在，但已明显减小。开度为40%到60%为压降的过度段，当阀芯开度大于60%时，压降趋于一定值。当残差迭代到150步以内就已经收敛，即阀芯开度大于80%时，此时阀门的流阻较小，流道的涡流已经基本消失，当阀芯全开时，流阻*小，在该情况下，阀门内的流场与直管流道已经相同。
2）根据不同关阀角度球阀的数值模拟结果，利用压降、流阻系数和流量系数换算关系式，计算得到球阀前后压降与球阀开度之间定量关系曲线，流阻系数与球阀开度之间的关系曲线以及流量系数与球阀开度之间的关系曲线，得出阀门的压降、流量系数和流阻系数随阀芯开度的增大时的变化规律。
3）由于球阀实际结构复杂，因此数值模拟与实际存在一定的偏差，因此可以分析不同流速下的阀门管道流场分布情况。
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