V型球阀阀芯优化及流场分析

王佳琪，何世权，喻临风，张 锦，刘帅帅

（南京工业大学 机械与动力工程学院，南京 211816）

0 引言

V型球阀作为球阀的一种，其结构紧凑，调节范围广，可调比大小能达到100：1，同时具有调节性能好，寿命长等优点。随着技术的飞速发展，V型球阀的生产工艺和结构不断改进，在一些要求精确调节流量的工况下，V型球阀是首选。因此，V型球阀已迅速发展成为一种主要的调节阀，广泛应用于造纸、化工、冶金等工业领域中，其在国民经济生产中占有重要的地位［1-2］。

目前，我国V型球阀的调节特性和国外产品相比，缺点在于调节范围较窄、调节特性和实际工艺流程调节特性存在较大误差，其主要原因就是不同锥角结构下流通面积满足不了实际流通量［3-8］，所以，本文对DN50的V型球阀在不同阀芯结构下进行研究，通过改变阀芯的锥角来改变流通面积，对不同阀芯锥角结构下进行模拟分析速度云图、压力云图和流量特性。

1 计算模型

1.1 V型球阀结构

V型球阀是一种具有直角回转结构的角行程调节阀，主要由阀杆、阀体、阀芯球体以及阀座4部分组成，采用Spaceclaim软件对V型球阀模型进行简化，去除倒角倒圆等特征以利于数值模拟的收敛。简化后V型球阀的结构如图1所示。

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

V型球阀的阀芯是整个阀门的关键部位，为了应对不同工况的调节功能，其结构也有相应的区别。V型阀口所开的位置一种开在V型阀芯球体的球冠上，另一种开在阀座上［9］。本文所研究的为某公司DN50，PN16型的V型球阀，阀口开在阀芯球体球冠上，阀芯原始锥角为30°，为增加流通面积，又设计出2种不同阀芯锥角开度的V型球阀。图2示出阀芯锥角的示意。

图2 3种不同锥角的球芯Fig.2 Tree kinds of ball cores with different cone angles

1.2 网格划分

进行仿真模拟之前，需要抽取模型流道，对流体部分进行网格划分。采用三维建模软件Solidworks对装配体进行三维建模，在阀芯前后分别添加5D，10D长度的管道（D为流道直径）［10］，用Spaceclaim软件对流道进行抽取，把流道导入ICEM进行网格划分，文中采用的网格类型主要是六面体网格和四面体网格。其中入口及出口的直管处流体部分采用六面体，中心处的阀体结构复杂，此处流体则采用四面体网格，并且对网格进行加密处理。经过处理的模型控住了计算的规模，同时保证了计算精度。每个模型至少都保证在100万网格以上，所有的网格质量系数均大于0.5，完全符合CFD计算精度要求，图3示出90°锥角在30开度下的网格模型示意。

图3 网格模型Fig.3 Mesh model

2 定常流动的数值模拟

本文对阀芯锥角为 30°，60°，90°下 100% 开度下的模型进行数值模拟，流量特性仿真时模型边界条件为：V型球阀在实际工况使用时，压差为0.4 MPa，所以此处入口压力设为0.55 MPa，出口压力设置为0.15 MPa。其余边界条件设为对称和光滑无滑移壁面条件，湍流模型设置为工程中应用广泛的κ-ε模型［11-12］。

2.1 压力场对比分析

利用后处理软件CFD-Post，通过云图工具得到V型球阀中Y-Z截面上的压力如图4所示。由图可知，在阀门前后压差、开度相同，阀芯锥角角度不同的情况下，阀内高压均出现在阀前入口处流体介质不能流通的区域，阀内部的低压区均分布于阀口附近和阀芯上，在阀的后部，压力较为稳定，低压面积比较大［13］。随着阀芯锥角的角度变小，阀内的最低压力越来越小，当阀芯锥角为30°时，阀内的最低压力为负压，远低于常温下的饱和蒸气压3.45 kPa，阀内会出现空化现象，会对阀门造成一定的损坏。在阀芯锥角60°下，阀内的最低压力为6.83 kPa，大于3.45 kPa，阀内正常，不会出现空化现象。在阀芯锥角90°下，最低压力远大于饱和蒸气压，低压区域明显比60°锥角的要小，压力较稳定。在3种阀芯锥角角度下，阀内的最低压力的大小以及低压区域存在差异，同样的压差中，阀芯锥角角度越小，流通面积越小，阀内的最低压力越低，压力越不稳定，就越容易造成空化现象，造成阀门冲蚀磨损，所以优化后的阀芯锥角要优于原始结构。

图4 压力云图Fig.4 Pressure nephogram

2.2 速度场对比分析

由速度云图（图5）和速度矢量图（图6）可知，3种阀芯锥角下，位于阀前的速度矢量分布均较为密集且均匀，流体介质流经阀口附近均形成了高速流，且形成了流动分离，阀内的最大速度不同，阀芯锥角30°阀口附近最大速度为在3种锥角中最大，阀芯锥角90°则最小，这与压力场相对应。在阀芯锥角为30°时，阀内的最大速度为33.55 m/s，高于其余2种，流体介质在流经阀体内部时出现了回流现象，并形成了完整的漩涡。在阀芯锥角60°时有所优化，有回流现象，但未出现完整漩涡。阀芯锥角90°时，在V型阀口附近形成高速流，但由于流通面积变大，流速很快又恢复平缓，流过阀芯后，流速比较平稳，因此优化后的阀芯结构比原始结构好，说明通过改变V型锥角来调节流通面积，影响流量大小的办法是可行的。

图5 速度云图Fig.5 Velocity nephogram

图6 速度矢量Fig.6 Velocity vector

3 理想流量特性曲线

调节阀的流量特性是调节阀的重要指标之一，流体介质流过管路系统时，因为流道结构以及截面的变化，会出现摩擦现象或者形成气穴、漩涡，产生附加的能量损失。一般情况下，流量系数的值越大说明压力损失越小，内部介质流通能力就越好［14-16］。在标准条件下一般设：

式中 Kv——流量系数；

Q——某一开度下进口流量；

ρ——密度；

ΔP——压降。

因为最后所得到的进、出口流量都是以质量流量kg/s为单位，进行单位换算后可知：

故流量系数Kv可以改写为：

3种不同锥角结构在7种开度和压差为0.4 MPa下监测到的进口流量见表1。

表1 进口流量Tab.1 Inlet flow

将表1中数据代入式（3）得到流量系数，以阀芯与阀座开度作为X轴，流量系数作为Y轴，应用Matlab软件绘制流量特性曲线，如图7所示。

图7 流量特性曲线Fig.7 Flow characteristic curve

由上述计算结果和图7可知，球阀的不同阀芯角度和开度变化导致相应流量变化的百分比相同，也称为等百分比流量特性［17-18］。在小开度下起到稳定平缓调节流量的作用，在大开度下调节作用是灵敏快速有效的。相同开度下，阀芯锥角大的结构流量系数更大一些，说明优化阀芯锥角角度可以提升阀门的流通能力，同时也说明V型球阀内的流动阻力也有所减小，优化后的阀芯锥角在实际应用中具有一定的优势。

4 结论

（1）对比分析3种不同结构的阀芯锥角，由压力场分布可知，阀内的高压区域均位于V型阀口附近，在锥角为30°原始结构中阀内出现负压区，最低压力为-242.67 kPa，远低于常温下的饱和蒸气压，阀内会出现空化现象，对阀门造成一定的损坏，在锥角为60°和90°时，阀内的最低压力分别为6.83，150 kPa，均大于饱和蒸气压，且低压区域面积明显小于锥角30°时的情况，阀内最大压力由535.43 kPa降至492.70 kPa，逐渐趋于稳定。所以优化后的阀芯结构对阀门的使用寿命起到了一定的延长作用。

（2）对比分析3种不同结构的阀芯锥角在速度场中分布情况，当流体流经V型阀口时，均在阀口附近形成高速流，在压差不变的情况下，初始阀芯结构阀内的最高速度为33.33 m/s2远大于优化后的2种结构，阀芯锥角90°时最低为21.97 m/s2。阀芯锥角30°时，在流经阀芯时会出现密集的高速度区域平均流速为27.77 m/s2，阀芯表面冲刷最为严重，随着阀芯锥角逐渐增大，高速度区域的平均流速降至22.57，19.53 m/s2，对球阀的冲刷现象逐渐好转。

（3）对比3种结构的阀芯锥角在速度矢量图分布可知，在初始阀芯结构中，流体流经阀芯后流速过大，出现了回流的现象，并形成了完整的漩涡，易发生湍流及涡流。随着阀芯锥角的改变，60°时虽然也出现了回流现象，但未造成完整的漩涡，90°时流动趋于稳定，因此优化后的结构阀芯周围流动稳定性更好。

（4）通过流量特性曲线可知，3种阀芯锥角结构都符合等百分比流量特性，在常用开度下（30°～90°）内，采用更大的锥角角度拥有更好的流通能力。从进口流量上来看，30°锥角的全开状态下进口流量（Q=15.827 kg/s）是开度30°（Q=0.987 kg/s）的 16倍，而90°锥角则是 13倍，可以看出锥角改变了V型球阀的流量特性，使其更趋于稳定。因此优化后的调节作用比初始结构更灵敏且快速有效。