V型球阀阀芯的数值模拟与优化

张皓男 ，王国峰 ，赵巧男 ，徐有宁

（沈阳工程学院 a.研究生部；b.能源与动力学院；c.工程技术研究院，辽宁 沈阳 110136）

在工业已经充分实现自动化、电气化的今天，各种电气化的元配件已经成为国内外各科研机构争先研究的重点，而V型球阀作为一个集调节性能好、结构简单、流体阻力小、密封严密可靠、开关方便等优点于一身的阀门，也愈来愈受到各界的关注。虽然在多数情况下V型球阀已具有较为完备的等百分比流量特性，即较为稳定的调节性能，但这些球阀仅在相对开度较大时，才能保证较好的等百分比特性；相对开度范围较小时，则不能保证。因此，优化V型球阀阀芯形状，使其拥有更为稳定的调节性能，逐渐成为阀门用户们的迫切需求［1-5］。

近年来，国内外研究者对V型球阀进行了大量的研究，使其具有更好的等百分比特性。兰州理工大学张希恒［6-7］利用CFD软件来研究在不同的相对开度下V型球阀的流量特性，以观察其等百分比特性，并介绍了测试阀内流量特性试验的设备装置；浙江工业大学机械工程学院张生昌［8］利用FLUENT软件为工具，对V型球阀内部流场进行数值仿真模拟分析；国立台湾科技大学Ming-Jyh Chern［9］对V型球阀进行流量特性和流动形态试验，将不同参数下的数据作出对比，并进行研究讨论，以探究气蚀现象的成因；西肯塔基大学的P Merati［10］利用LDC以及FLUENT软件对V型球阀的流量特性进行了仿真模拟并加以分析。以上研究均是通过数值仿真模拟或试验的方式来测试阀芯的流量特性，并对其数据进行分析。针对V型球阀阀芯数值模拟与设计优化并重的研究还相对较少。

本文对DN50V型球阀阀芯进行数值优化分析，并首次提出V型球阀阀芯优化设计方法。首先利用CFD软件进行物理建模，运用Fluent数值仿真计算球阀阀芯的原始计算流量、等百比流量特性与理论流量；然后利用提出的V型球阀阀芯优化设计方法，计算优化后的流量、等百分比流量特性；最后结合试验测量数据，验证阀芯优化设计流程的合理性。通过分析理论数据与试验数据的比对，可以验证阀芯优化设计流程的可靠性，并为同类型的V型球阀设计提供了可靠的设计依据。

1 阀芯优化流程

设计优化是一种通过充分利用和探索系统中相互作用的协同机制来设计复杂系统和子系统的方法。为了得到控制较为稳定的V型球阀，就要求该球阀具有较好的等百分比特性。选择需要优化的球阀阀芯形状建立物理模型，利用数值方法计算出在各相对开度下原始V型球阀的流量大小，根据所得到的流量值来计算等百分比特性系数RQ。等百分比特性系数RQ是V型球阀阀芯能否稳定调节的标志。一个调节性能稳定的球阀，需要保证各相对开度下RQ值十分接近。本文运用数理统计学中的方法，获取13个计点的等百分比特性系数RQ的样本均值并用这个值根据等百分比流量特性公式反推理论流量。通过对比计算流量和理论流量之间的差值，根据面积平均等效法来修正通流面积，并相应改变球阀阀芯形状。计算优化后球阀阀芯各点的理论流量与等百分比特性系数RQ，再一次比较各开度下的RQ。如果在理想RQ值波动范围内，则迭代结束；如果超出给定的范围，则继续迭代，直至等百分比特性系数可以保证在一个较为均衡的水平，完成V型球阀阀芯的设计优化流程。其流程如图1所示。

图1 阀芯的优化设计框架

2 原始阀芯结构及数值分析

选择型号为DN50V型球阀进行阀芯的数值模拟。该球阀阀芯内直径为50 mm，原始设计开口角度为22.5°，初始设计流量为6.5 t/h，进口压力为392 280 Pa。选取V型球阀及两侧的进出水管为计算域，建立全尺度数值分析模型，如图2所示。网格使用四面体网格，在保证网格无关性的情况下，最终确定网格数目为5.6×105。

图2 阀门的结构形式

DN50V型原始球阀阀芯模型及尺寸如图3所示。原始阀芯是V型阀芯，阀芯成完整的V型结构，特别在小开度情况下，阀芯形状无变化，其顶角角度为22.5°（即 A77=A78=22.5°）。

图3 DN50V型球阀实物及阀芯设计尺寸参数

V型球阀阀芯数值模拟的重点就是研究阀芯的等百分比流量特性的优劣。等百分比流量特性是指在相应固定压降条件下，阀门不同开度与通过V型球阀阀芯流量的关系。V型球阀的等百分比流量的数学表达式为表示相对开度；Q为某一开度下的流量大小；Qmax为全开时的流量大小；

式中，RQ为等百比特性系数；l为某一开度下的行程；L为全开时的行程表示相对流通流量。

针对DN50型阀门进行流量及压力数值仿真，计算在初始设计流量条件下的阀门压力及流量关系。经计算，阀门进出口压力差为ΔP=2 096 Pa，在该压力差情况下得到的最大流量值为Qmax1=1.819 5 kg/s（约为6.5 t/h）。根据该条件共选取球阀相对开度从0到100%之间的13个计点，计算不同阀门开度与流量的关系，其数据见表1。

表1 DN50V型球阀原始及优化数据

3 阀芯优化结果

利用数值优化计算，得到数值优化型的阀芯结构模型，在相对开度接近50%的范围内增大流通面积，提高这部分区域内的流量，降低等百比系数RQ值。具体的优化阀芯结构如图4所示。

在该优化结构下，保持设计压力不变，球阀的最大流量发生了变化，变为Qmax2=1.979 1 kg/s（折算为7.12 t/h），流量有所增加。这与实际相符，因为增大球阀的流通面积，球阀的流量也会相应的增加。

图4 DN50优化V型球阀实物及阀芯设计尺寸参数

通过对数值仿真结构的分析，得到球阀的流线分布图，如图5所示。通过优化阀芯形状，更多的水流通过阀门的通道进入到阀芯内，然后再流出阀芯。

图5 DN50优化V型球阀阀内流线

图6为优化结构阀芯截面速度分布图。水流通过阀芯时会产生较大流速，这个地方由于流速的变化会产生压力变化，也是系统内压力损失较大的区域。由于阀芯后存在一个低压区，从球阀上方流过的流体有向下流动的趋势，同时从下方流过的流体向上流，形成了方向相反的两个旋涡，使得阀芯处与阀芯后整个出口区间均有较为强烈的、大小相反的涡流现象，球阀阀芯的流阻较大。当压差逐渐降低时，漩涡中心流速远小于边界流速，同时中心压力最低。随着球阀阀芯相对开度的增加，阀芯处的流体流动速度减慢，形成的涡流有减弱趋势。

图6 DN50优化V型球阀阀芯速度矢量

图7为截面压力分布图。球阀阀芯进口压力远大于出口压力，所以压力损失主要出现在阀芯的两端。导致其在通道内产生部件压力损失的原因，是由于流体的流入及流出过程中会产生涡流现象。

图7 DN50优化V型球阀阀芯压力分布

根据表1中的原始模型、理论推导及优化分析数据进行分析，将原始数据及优化模型数据RQi进行比较发现，优化模型在开度小于35.7%后，所有的结果都要优于原始模型结果。

图8为N50V型球阀优化前后的流量特性曲线图。在相对开度比较小时，优化后的曲线要比原始曲线高出一部分，这说明在较小相对流量范围内优化后的球阀阀芯的流量平缓一些，其等百分比特性较好，与原始球阀阀芯相比控制性能较好。

图8 DN50优化V型球阀阀芯流量特性数据

4 试验验证

图9是V型球阀阀芯流量特性试验装置图。水箱中的介质流入加压泵中后，被加压直至392 280 Pa，先后流经入水管、节流阀，到达V型球阀阀芯内，之后再经过出水管，返回水箱，形成一个闭合回路［11-13］。进、出口压力表用来测量并比较球阀阀芯两端管内介质的压力大小，所得到的压力数据与流量传感器测得的管内流量数据一起被传输进计算机中。节流阀的作用是通过控制流量的大小，维持管路中压力的稳定。在试验过程中，通过调节球阀的相对开度，来保证阀两端压力，得到所需要的流量数据，如表2所示。

图9 阀芯流量特性试验装置

表2 DN50V型球阀阀芯流量特性试验数据

对比表1和表2中相对开度lL，相对通流量QQmax及等百分比特性系数，结果如图10所示。柱状图说明了原始球阀阀芯、优化型球阀阀芯以及试验型球阀阀芯三者的等百分比特性系数RQ均匀程度，可以很容易地看出试验球阀阀芯最为均匀，充分证明此次优化流程的合理性。利用相对开度lL及相对通流量QQmax为横、纵坐标，分别作3条等百分比流量特性曲线。其中原始球阀的流量特性曲线位置较低，不够均匀，说明原始球阀的流量特性是等百分比特性最不好的一个。而优化后模型曲线和试验模型曲线的相对位置均高于原始曲线，这说明了数值及试验模型有着更好的等百分比特性，调节起来更为平稳。

图10 阀芯流量特性曲线与等百分比特性系数关系

5 结 论

本文完成了对DN50V型球阀阀芯的数值模拟分析并以此提出优化设计流程，通过对该球阀设计优化，从数值模拟得出的数据和流量特性试验得出数据的吻合性，验证数值模拟与优化设计流程的合理性与可靠性。针对这一设计优化方法总结如下结论：

1）数值模拟与优化设计流程主要运用数值仿真模拟结合样本均值评估以及面积平均等效法，可以有效地改进V型球阀阀芯，使其等百分比流量特性数值分布更为均匀，在不同相对开度条件下有更好的稳定性。

2）V型球阀阀芯的数值模拟与优化设计方法能够提升阀芯设计能力。

3）依照数值模拟得出的V型球阀阀芯设计优化方法，能够提高阀芯流量调节能力，为电动调节与手动调节阀门设计提供有效的数据支持。