基于DPM模型V型球閥固液兩相流沖蝕研究

王佳琪，何世權，李 力，劉帥帥

（南京工業大學 機械與動力工程學院，南京 211816）

0 引言

閥門是經濟建設中應用非常廣泛的一種機械產品，在許多領域都需應用大量的閥門設備。它是流體輸送系統中的控制部件，通過改變介質流通截面積和流動方向，來控制流體流動的一種裝置，具有截斷、調節、分流等功能，因此，其工作性能直接影響著整個管道系統的性能[1-6]。

V型球閥是一種特殊形狀的球閥，此類閥門獨特之處在于它的閥芯是V型結構，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用在流體介質中含有固體顆粒、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型球閥結構

V型球閥是眾多類型調節閥中的一種，是一種具有直角回轉結構的角行程調節閥，其具有結構簡單、流體阻力小，流通能力大，密封性能好等特點，同時具有調節范圍廣和等百分比調節特性等優點[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型球閥結構示意。

圖1 V型球閥結構示意Fig.1 Structure diagram of V-shaped ball valve

2 計算模型與方法

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-離散相模型”，把流體當成連續介質，顆粒當作離散相；（2）歐拉的“雙流體模型”，該模型將離散的顆粒相假設為連續的“擬流體”，該模型與實際情況差距會很大[10]。

本文運用的是DPM離散相模型，由流體和顆粒組成的彌散多相流體系中，將流體相視為連續介質，分散相視作離散介質處理。其中，連續相數學描述采用歐拉方法，求解時均N-S方程得到速度等參量；分散相采用拉格朗日描述，通過對大量質點的運動方程進行積分運算得到運動軌跡。

2.2 參數設置

本文以沙水為工作介質，在常溫工作溫度下做如下假設：（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；（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，對流道進行網格的劃分，劃分采用的是非結構化網格劃分方法，強制body size設為3 mm，并對閥座與球體交接區域進行網格加密處理。V型球閥轉動30°的流道網格如圖2所示，網格數約為108 215。

圖2 轉動30°時流道的網格Fig.2 The girds of the flow channel when rotated by 30°

2.4 數值計算

對于連續相的水，在計算過程中，進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湍流模型和標準壁面函數，用標準壁面函數處理近壁面問題，直接將近壁面上的變量與湍流中心區域內的變量用半經驗公式聯系起來，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]，設置反彈系數公式見式（1）、（2）；沖擊角函數見表1；粒徑函數定義為常數1.8×10-9，速度指數定義為常數2.6。

表1 沖擊角函數Tab.1 Impact angle function

3 數值模擬結果及分析

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

3.1 液相流場規律

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。閥內的高壓區域位于V型閥口前，最大壓力均出現在V型閥口前未流通區域，當流體流經V型閥口時，壓力開始下降，并在閥口后出現了負壓區。在開度為30%時，負壓區出現在閥口附近；開度為50%和80%時在接近閥門出口處出現負壓區。在這3種開度下，閥內的最小壓力均小于設定工況下水的飽和蒸汽壓3.45 kPa，所以，可知當流體流過這些區域時，在閥門內部都發生了沖蝕磨損現象[14-17]。此外，隨著閥門開度的增大，負壓區域隨之減小，這也意味著閥內相應區域的沖蝕強度隨之減小。

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型口的設計，當流體介質流經閥口時，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，流速又逐漸恢復平緩；隨著開度增大，流體介質在流經閥芯口后速度恢復的越快；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，隨之逐漸遞減恢復平穩；此外，當流體流過V型閥口時，在閥口后存在回流區域，且流體流經閥口后時，流體與閥壁分離，在閥內發生了流動分離，對比壓力云圖可知，在閥內出現的負壓區均處于高速區域。

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，高速射流速度比較高，回流渦旋轉速度也會更快。從圖中可以看出，在30°開度下，固體顆粒經過閥芯后，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回流渦，不斷撞擊壁面后逐漸恢復平緩；在50°開度下，顆粒進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動平穩，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行長時間的沖擊進而損失壁面材料，則會發生沖蝕現象使管道發生破損甚至穿孔，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而造成破壞，在較大開度下，就不會發生嚴重的磨損；在3種開度下，閥芯入口處均會出現磨損帶，越靠近閥口處磨損值越大，出現磨損峰值，隨著開度的增加向外側移動；固體顆粒在閥芯內部經過各種碰撞反彈以及在出口管的回流渦的作用下，也會造成閥腔內部壁面和管道壁面的磨損。

4 結論

（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，閥內的高壓區域位于V型閥口前，當流體流經V型閥口時，壓力開始下降，并在閥口后出現了負壓區；負壓區隨著開度的增大而減小，由最低負壓-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V型閥口時，在閥口附近形成高速流，在前后壓差保持不變時，隨著開度的增大，流體介質在流經閥芯口后速度恢復越快，最高流速由55.959 m/s2降至4.865 m/s2，閥內平均流速由31.477 m/s2減小到2.736 m/s2，下降了90%，閥內逐漸回復平緩。

（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，撞擊壁面的次數就越少，造成的損失也就越少；在小開度30°和50°時，在回流渦的作用下不斷的撞擊閥芯壁面，造成磨損破壞，經過很多次碰撞后，固體顆粒從閥芯出來后，跟隨主流在出口管道處也出現回流渦，不斷撞擊出口管道壁面后逐漸恢復平緩。

（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，磨損就會越小；在3種開度下，閥芯入口處均會出現磨損帶，越靠近閥口處磨損值越大，出現磨損峰值，隨著開度的增加向外側移動。隨著開度增大，流速平緩，沖蝕速率降低，由30°時的下降到80°時，減小了顆粒與壁面碰撞的幾率，單位面積壁面區域顆粒沖擊次數減緩，抑制了V型球閥的沖蝕破壞現象的發生。