DN1000上蓋式半球閥流場的數值仿真

廖志芳，王榮輝，譚會攀，唐澤潤，應 銳，羅 爽，蔣 勁

(1.天津市輸水系統水錘閥門控制技術企業重點實驗室，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，維修方便等優點，所以其具有很大的發展前景。閥門結構復雜，閥門內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部流場進行數值模擬，分析閥內流體的流動狀態，對閥門的設計和結構優化提供一定的參考。

1 網格模型

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

圖1 DN1000上蓋式半球閥全局網格

2 計算模型

2.1 控制方程

1)質量守恒方程。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是控制體的質量力的分量，若果質量力只包含重力，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，就是單位時間內控制體受到外力所做的功和單位時間內控制體與外界換熱量的總和。其數學表述為

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為單位質量流體所具有的熱能；u為流體流動的速度。

2.2 數學模型

本次數值仿真中都采用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 數值仿真模擬及結果分析

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，閥芯處流速發生劇烈變化；閥內流體流速增加。在閥芯背面出現漩渦，且隨著開度的增大，漩渦所影響的區域也在變大。上下兩處閥瓣狹窄過流區域流速很大，對閥座產生一定的沖擊力。閥門開度大于50%時，由于閥芯的阻礙作用變小，閥內流體流速變化越來越均勻，流態越來越平穩，閥內出現的渦流區域也在變小。

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。由于閥芯上下區域過流面積忽然變小，導致流體流動狀態發生突變，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，閥門內流體的湍動越為劇烈。閥門全開時，閥內流體的湍動能變化均勻。

4 計算流阻系數和流量系數

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。

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

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。

通過數值計算得出不同開度條件的DN1000上蓋式半球閥的流量參數，并分別繪制開度流量系數曲線和開度流阻系數曲線，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，流量系數很小，流阻系數很大。隨著開度越來越大，DN1000上蓋式半球閥的流量系數越來越大，流阻系數越來越小。且開度大于70%時，流量系數突然增大，流阻系數變化平緩。當閥門全開時，流阻系數最小，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 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值模擬，分析了不同開度下閥內流體的流動特性，并通過求解流量系數曲線和流阻系數曲線得到了不同開度下閥內流場的靜態特性，為閥門的結構優化設計提供參考。數值仿真結果表明：

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

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

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