基于DPM模型V型球阀固液两相流冲蚀研究

王佳琪，何世权，李 力，刘帅帅

（南京工业大学 机械与动力工程学院，南京 211816）

0 引言

阀门是经济建设中应用非常广泛的一种机械产品，在许多领域都需应用大量的阀门设备。它是流体输送系统中的控制部件，通过改变介质流通截面积和流动方向，来控制流体流动的一种装置，具有截断、调节、分流等功能，因此，其工作性能直接影响着整个管道系统的性能[1-6]。

V型球阀是一种特殊形状的球阀，此类阀门独特之处在于它的阀芯是V型结构，会使阀口对阀座形成剪切作用。因此，V型球阀能够被广泛地应用在流体介质中含有固体颗粒、纤维等工况场合，所以开展固液两相流及固体颗粒冲蚀磨损研究，具有很重要的意义[7]。本文对DN50的V型球阀在不同开度下的固液两相流场特性进行研究，分析其在不同开度下表面速度云图、压力云图以及粒子流线轨迹，分析其流动特性与冲蚀磨损分布情况。

1 V型球阀结构

V型球阀是众多类型调节阀中的一种，是一种具有直角回转结构的角行程调节阀，其具有结构简单、流体阻力小，流通能力大，密封性能好等特点，同时具有调节范围广和等百分比调节特性等优点[8-9]。本文所研究的阀门为DN50，PN16的V型球阀，其中阀口开在阀芯球体球冠上，阀芯紧压在两端的密封圈上，保证了其密封性。 如图1示出V型球阀结构示意。

图1 V型球阀结构示意Fig.1 Structure diagram of V-shaped ball valve

2 计算模型与方法

2.1 两相流理论的研究模型

目前研究固液两相流的模型大体可分为2类：（1）拉格朗日的“连续-离散相模型”，把流体当成连续介质，颗粒当作离散相；（2）欧拉的“双流体模型”，该模型将离散的颗粒相假设为连续的“拟流体”，该模型与实际情况差距会很大[10]。

本文运用的是DPM离散相模型，由流体和颗粒组成的弥散多相流体系中，将流体相视为连续介质，分散相视作离散介质处理。其中，连续相数学描述采用欧拉方法，求解时均N-S方程得到速度等参量；分散相采用拉格朗日描述，通过对大量质点的运动方程进行积分运算得到运动轨迹。

2.2 参数设置

本文以沙水为工作介质，在常温工作温度下做如下假设：（1）液相为不可压缩流体，颗粒相为离散体系，每相的物理特性均为常数；（2）颗粒相为球形且均匀的泥沙颗粒，不考虑相变，与管道为碰撞接触；（3）阀内流体为定常流动。

2.3 建立模型

采用三维建模软件Solidworks对装配体进行三维建模，在阀前与阀后各添加5D和10D长度的管道（D为流道直径），采用SpaceClaim软件抽取V型球阀3种不同开度下的流道，在Fluent里的mesh平台中，对流道进行网格的划分，划分采用的是非结构化网格划分方法，强制body size设为3 mm，并对阀座与球体交接区域进行网格加密处理。V型球阀转动30°的流道网格如图2所示，网格数约为108 215。

图2 转动30°时流道的网格Fig.2 The girds of the flow channel when rotated by 30°

2.4 数值计算

对于连续相的水，在计算过程中，进口边界条件定义为速度入口，出口边界定义为初始压力出口，压力为0，利用Realizable K-Epsilon湍流模型和标准壁面函数，用标准壁面函数处理近壁面问题，直接将近壁面上的变量与湍流中心区域内的变量用半经验公式联系起来，壁面采用无滑移边界条件，模拟过程中采用分离变量求解，压力修正法采用更精确的压力-耦合方法Coupled算法；对于离散颗粒，在DPM模型中，壁面采用反弹（Reflect）条件[11]，设置反弹系数公式见式（1）、（2）；冲击角函数见表1；粒径函数定义为常数1.8×10-9，速度指数定义为常数2.6。

表1 冲击角函数Tab.1 Impact angle function

3 数值模拟结果及分析

本文取30%，50%，80% 3个相对开度下的V型球阀模型，颗粒直径设为0.5 mm，密度设为1 500 kg/m3，颗粒入口速度设为0.5 m/s；连续相的水设为速度入口，速度设为2 m/s，出口定义为初始压力出口。对V型球阀内固液两相流动规律与冲蚀磨损结果进行对比分析[12-13]。

3.1 液相流场规律

利用后处理软件CFD-Post，通过云图工具得到V型球阀中XZ截面上的压力云图如图3所示，从图中可以看出，从阀门的进口端到阀门的出口端，压力逐渐减小，压力梯度变化比较明显。阀内的高压区域位于V型阀口前，最大压力均出现在V型阀口前未流通区域，当流体流经V型阀口时，压力开始下降，并在阀口后出现了负压区。在开度为30%时，负压区出现在阀口附近；开度为50%和80%时在接近阀门出口处出现负压区。在这3种开度下，阀内的最小压力均小于设定工况下水的饱和蒸汽压3.45 kPa，所以，可知当流体流过这些区域时，在阀门内部都发生了冲蚀磨损现象[14-17]。此外，随着阀门开度的增大，负压区域随之减小，这也意味着阀内相应区域的冲蚀强度随之减小。

图3 不同开度下压力云图Fig.3 Pressure nephograms at different opening degrees

由速度云图4可知，由于球芯V型口的设计，当流体介质流经阀口时，开度减小，流通面积逐渐减小，流体速度逐渐增大，在V型阀口附近形成高速流。随后流通面积增大，流速又逐渐恢复平缓；随着开度增大，流体介质在流经阀芯口后速度恢复的越快；在不同开度下流体通过V型球阀的速度均在阀芯入口处最大，随之逐渐递减恢复平稳；此外，当流体流过V型阀口时，在阀口后存在回流区域，且流体流经阀口后时，流体与阀壁分离，在阀内发生了流动分离，对比压力云图可知，在阀内出现的负压区均处于高速区域。

图4 不同开度下速度云图Fig.4 Velocity nephograms at different opening degrees

3.2 固相颗粒轨迹

图5示出了不同开度下的固体颗粒在阀门流道中的轨迹。从前文所述，在开度较小时，高速射流速度比较高，回流涡旋转速度也会更快。从图中可以看出，在30°开度下，固体颗粒经过阀芯后，在回流涡的作用下不断的撞击阀芯壁面，造成磨损破坏，经过很多次碰撞后，固体颗粒从阀芯出来后，跟随主流在出口管道处也出现回流涡，不断撞击壁面后逐渐恢复平缓；在50°开度下，颗粒进入阀芯流道后会跟随高速射流形成一束颗粒流道紧贴管道上壁面，部分固体颗粒还因回流涡不断撞击壁面，造成磨损；在80°开度下，阀门接近全开，不存在高速射流，固体颗粒在阀芯和出口管道处运动平稳，部分颗粒会撞击入口处球体壁面。

图5 不同开度下粒子轨迹Fig.5 Particle trajectory diagram under different openings

3.3 冲蚀磨损特性分析

由于固体颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行长时间的冲击进而损失壁面材料，则会发生冲蚀现象使管道发生破损甚至穿孔，图6示出3种开度下的冲蚀后磨损的分布。

图6 不同开度下阀门冲蚀磨损分布Fig.6 Valve erosion and wear distribution under different openings

从图中可以看出，在小开度30°情况下，管道与阀芯流道的夹角较小，高速射流速度很高，固体颗粒以极高的速度冲击阀芯和管道壁面进而造成破坏，在较大开度下，就不会发生严重的磨损；在3种开度下，阀芯入口处均会出现磨损带，越靠近阀口处磨损值越大，出现磨损峰值，随着开度的增加向外侧移动；固体颗粒在阀芯内部经过各种碰撞反弹以及在出口管的回流涡的作用下，也会造成阀腔内部壁面和管道壁面的磨损。

4 结论

（1）对比分析了3种不同开度下的阀门压力场和速度场分布可知，阀内的高压区域位于V型阀口前，当流体流经V型阀口时，压力开始下降，并在阀口后出现了负压区；负压区随着开度的增大而减小，由最低负压-56.358 kPa减小到-9.553 kPa，减小了80%，抑制了阀门的空化损伤。流体流经V型阀口时，在阀口附近形成高速流，在前后压差保持不变时，随着开度的增大，流体介质在流经阀芯口后速度恢复越快，最高流速由55.959 m/s2降至4.865 m/s2，阀内平均流速由31.477 m/s2减小到2.736 m/s2，下降了90%，阀内逐渐回复平缓。

（2）对比分析3种不同开度下的粒子轨迹图，可知，固体颗粒随着开度增大，撞击壁面的次数就越少，造成的损失也就越少；在小开度30°和50°时，在回流涡的作用下不断的撞击阀芯壁面，造成磨损破坏，经过很多次碰撞后，固体颗粒从阀芯出来后，跟随主流在出口管道处也出现回流涡，不断撞击出口管道壁面后逐渐恢复平缓。

（3）对比分析3种不同开度下的冲蚀磨损分布，可知颗粒的磨损主要分布在阀口前后面以及阀芯壁面处；随着开度的增大，流通面积增大，高速射流速度减小，固体颗粒对阀门的冲击速度就越小，磨损就会越小；在3种开度下，阀芯入口处均会出现磨损带，越靠近阀口处磨损值越大，出现磨损峰值，随着开度的增加向外侧移动。随着开度增大，流速平缓，冲蚀速率降低，由30°时的下降到80°时，减小了颗粒与壁面碰撞的几率，单位面积壁面区域颗粒冲击次数减缓，抑制了V型球阀的冲蚀破坏现象的发生。