摘 要：为了了解流体在球阀不同开度下的流动状态及对应的流阻系数，应用商业软件SolidWorksFlowSimulation对球阀不同开度的三维流场进行数值仿真模拟和可视化研究。模拟结果表明，在开度较小的情况下，阀芯横截面流速沿中心线呈对称分布，阀芯内部流场存在一对尺寸相等、方向相反的漩涡，且这对漩涡基本占据整个流道；同时出口管路也存在强烈的涡流，随着球阀开度的增大，流动达到稳定，漩涡消失。

关键字：球阀 流动仿真 流阻系数 数值模拟 可视化研究

球阀具有流阻低、启闭快速、密封性能好等特点，广泛应用于长距离输油管线上。它是利用球体绕阀杆的轴线旋转90°来实现启闭目的的。对球阀的研究主要集中在球阀的流阻系数上，流阻系数是一个十分复杂的参数，其与介质属性、液流流动状态、阀门流道结构等诸多因素相关。目前对球阀流场和流阻系数研究主要采用测量与估算相结合的方法，由于阀门的流道结构十分复杂，通过简单的流道估算很难达到需要的精度和目的，因此往往要依赖于大型水力试验，造成大量人力物力的损耗。

本文基于商业软件SolidWorksFlowSimulation对不同开度下球阀的三维流场进行数值模拟与可视化研究，并利用模拟结果计算了球阀不同开度下的流阻系数，可为阀门结构设计和性能优化提供依据。

1 球阀流场的仿真模拟方法

利用软件进行球阀流动仿真的数值模拟流程如图1所示。

图1 数值模拟流程

1.1 数值模拟的控制方程

由于球阀流场区域小，介质流速较快，与周围环境基本不进行能量的交换，因此不考虑流体流动过程中传热传质以及流体的相变过程，控制方程组中不涉及描述流体热量、温度和组分变化的方程。

当球阀全开时，球阀内流体处于低雷诺数流动状态，流线基本平行，此时可用一般不可压缩流动的连续性方程（1）和动量方程（2）描述，其中动量方程有x，y，z三个方向之分，本文只以x方向为例列出。

当球阀未达到全开时，由于流道形状对流体的剧烈扰动，流场中存在漩涡和弯曲流线流动。因此选用较为经典的可以描述漩涡及弯曲流线流动湍流动能方程（3）和湍流耗散率方程（4）即Realiz-ablek-ε模型作为补充方程。

    （1）

    （2）

    （3）

     （4）

    （5）

式中：ρ为流体密度，kg/m³；ux、uy、uz分别为速度在各坐标轴的分量，m/s；fx为沿着x轴方向的单位流体质量所受的质量力，N/kg；σxx、τyx、τzx分别为沿着x轴方向的各作用面上的应力，Pa；κ为湍流动能，J/kg；ε为湍流耗散率；μ、μt分别为层流黏度和湍流黏度，Ps·s；ui、uj为速度的张量表达形式，m/s；xi、yj为坐标方向的张量表达形式；C1ε、C2ε、σε、σκ为模型常数。

1.2 边界条件

为精确反映流场分布，入口和出口边界条件设在充分发展段，即入口为均匀流场形式，流速为1.5m/s，出口为自由出流形式，压力为0.101325MPa。所研究球阀的流道长度为457mm，壁面粗糙度10μm。管道和阀瓣壁面设定为无滑移边界条件。

1.3 流场网格划分

借助FlowSimulation内部的自适应网格处理，将球阀三维仿真模型导入可得到网格模型（图2）。

图2 球阀有限元模型

在阀芯处，由于流道发生突变，内部流动复杂，故在球阀阀芯处进行局部网格加密，以保证模拟的准确性。SolidWorksFlowSimulation软件采用的网格类型为实体网格，单元总数为31663，节点总数为19381，划分网格耗时22s。SolidWorksFlowSimulation划分网格的过程是自适应过程，但可人为在自适应网格基础上进行局部加密。划分网格简单易行、效率高。

1.4 控制收敛条件

SolidWorksFlowSimulation软件控制收敛的过程是将球阀进口和出口的边界条件代入控制方程，计算入口边界处的压力值，若两次迭代得到的入口边界压力计算误差小于设定的精度0.001Pa，就达到收敛条件，结束迭代计算。

2 模拟结果分析

图3和图4分别为球阀全流场速度矢量图和阀芯横截面上的速度云图。由图3可知，当球阀开度为10%时，由于球阀的开度较小，阀芯内部存在低压区，阀芯入口和出口处形成两股高速液流，上游液流流经阀芯出口时部分折回上游，下游液流反向流经阀芯入口时部分折回下游，在阀芯内形成剧烈的湍流分离回流区。

图3 全流场内速度矢量图

图4 阀芯内速度云图

根据速度分布云图可知，流场中流速大小基本沿球阀界面中心线对称分布，即阀芯流场内部出现了一对尺寸相等、方向相反的漩涡，且漩涡的尺寸较大，基本占据整个流道，漩涡边界流速远大于涡流中心流速；同时，在球阀出口管路段也形成强烈的涡流，造成极大的能量损失。

当球阀开度为30%~50%时，阀芯内流场涡流范围和强度减小，涡流边界流速也有所降低，同时球阀入口和出口管路涡流强度减小，流速分布趋于均匀。

当球阀开度为70%时，阀芯内部速度场分布更加均匀，但阀芯内部仍然存在一对较小涡流，其强度较开度为30%、50%时更小，出口管路中仍然存在局部旋流，流线愈加光滑。

当球阀开度大于70%时，球阀近似成为直管段，阀芯内部流场中的大涡流消失。但由于流体对壁面有黏附作用，在阀芯壁面附近处流速低于流道中心流速，且在出口管路存在小部分的涡流，整个流场内流线平行，流动阻力最小。

3 模拟结果验证及流阻系数计算

球阀前后压差与流速之间存在如下关系

    （5）

由可得即

式中：υ为流速，m/s；Δp为球阀前后压差，Pa；Q为体积流量，m³/s；F为过流面积，m²；k为流阻系数，无量纲。

由数值模拟分析计算球阀前后压差，结合式（5）得到开度为10%、30%、50%、70%、90%和100%时的流阻系数分别为3345.33、329.74、30.9、19.75、8.57和6.54。

将通过数值模拟计算的流阻系数与何忠华等人通过实验拟合公式计算的流阻系数分别进行归一化处理，对比结果如图5所示。

图5 流阻系数误差对比

从图5可以看出，基于本文球阀流阻系数计算所得的结果与实验拟合公式计算值很接近，验证了球阀流阻系数数值计算方法的可靠性。

根据模拟计算所得球阀不同开度下的流阻系数变化趋势可知，当球阀开度小于30%时，流阻系数随着开度的增大剧烈减小；当开度大于70%时，随着开度的增大，流阻系数减小幅度很小。

4 结论

利用商业软件SolidWorksFlowSimulation对不同开度下的球阀内部流场进行数值模拟表明，球阀开度较小时，球阀阀芯内流场存在两个尺寸相等、方向相反的漩涡，涡流基本占据整个流道，是造成球阀局部阻力损失的主要原因；同时在球阀的出口管路靠近阀芯处也存在着漩涡流动。根据球阀流阻系数与开度变化的趋势可知，当球阀开度增大到70%时，再增大开度对流阻系数的减小影响不大。本文的研究方法和结论可为阀门结构设计和性能优化提供依据和新思路。