陈文鹏，杨国来，2，柴红强，张立强，

(1.兰州理工大学温州泵阀工程研究院，浙江温州3251052.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃肃兰州730050）

摘要：基于Particle模型和非均相模型，运用流场分析软件ANSYS-C'FX对不同开度球阀内固液两相流流场进行数值模拟，液相采用标准的k-E湍流模型，固体相颗粒设置为离散流体，采用离散相零方程模型。分析并得出了球阀中截而上固体颗粒浓度分布、固体颗粒表而速度、固体颗粒的速度流线图以及阀门内的压力分布，结果表明:进口段与阀芯的交界而处固体颗粒浓度较大，随着阀门开度的减小，交界而处的颗粒浓度变大;连通区域内，从阀芯进口部位到出口部位，表而速度基本上依次减小;阀门进口段流动较为平顺，基本无漩涡存在，在阀芯内形成漩涡，阀门出口段漩涡最为严重;在阀门的进口段内压力最大，阀芯内次之，出口段压力最低，并且局部出现负压。

关键词：Particle模型;固液两相;球阀

阀门是一种压力管道元件，它是通过改变过流断而和介质流动方向，控制输送介质的压力、流量、温度的一种装置，阀门使用广泛，几乎涉及人类活动的每个领域。近年来，随着科学技术的发展，通过阀门传输各种固液两相流的领域不断扩大，研究阀门中固液两相流流动特性本身具有广泛的实际工程应用背景。在航天航空、水利工程、石油化工、环保和泵阀领域都存在由固相颗粒导致的阀门效率低和磨损失效快的问题，特别是磨损、冲蚀一直是阀门发展最大的障碍，磨损、冲蚀使得阀门的寿命大大缩短。耐磨阀门在许多领域都有应用，如硅化工中的多晶硅装置，电力系统的发电站等都使用耐磨阀门。

但在现代煤化工中，所使用的耐磨阀门，由于其使用工况不同，工艺介质不同，危险程度不同，冲蚀性不同，其技术要求也不同。球阀具有流体阻力小、结构简单、密封可靠、适用范围广、操作灵便等优点，近年来被广泛地采用。同时，球阀在全开全闭时，球体和密封圈的密封而与介质隔离，高速通过阀门的介质不会浸蚀密封而，增加了球阀的使用寿命。为了适应高温场合，人们开发研制出适用于更高温度的金属密封圈球阀。

金属密封球阀的主要特点是密封性好、无滞后现象、工作压力高、对污染不敏感、制造简单、故障少叫。但是阀门开启或关闭时固液两相流体在阀腔压力和速度急剧变化，对阀门有较大的影响，研究阀门内固液两相的流动规律可以为阀门的设计和优化提供理论依据，因此使得该问题成为该领域研究的热点和难点之一。

运用LFD软件对球阀在不同开度下的固液两相的流动规律进行研究，得出流体流过阀芯的压降，并根据相关公式得到流阻系数与开度大小的关系，同时分析不同开度下的固相分布云图、固相表而速度云图、固相流动迹线以及压力云图，分析其内部流动的规律与磨损情况，为球阀复杂工况运行、研究设计提供理论依据。

1 计算模型与方法

1.1 基本设置

以含沙水为工作介质，以常温工作温度为，作如下假设:①液体相(水)为不可压缩流体，颗粒相(泥沙)为分散相，每相的物理特性均为常数;②颗粒相为球形且粒径均匀的泥沙颗粒，不考虑相变;③球阀内为定常流动。

1.2 计算模型

所研究的球阀为金属密封球阀，主要性能参数为:工作压力PN=1.6 MPa，工作温度为20℃ ,阀门通径DN=50 mm,颗粒相浓度为5%,颗粒直径φ=0.05 mm,颗粒相密度ρ=2600 kg/m³。

采用Pro/E进行三维建模，运用ICEM软件，对其流动区域进行网格划分。采用自适应性很强的非结构化网格对球体网格进行加密，有助于提高计算精度。网格模型如图1所示。

图1 72%开度阀门网格模型

1.3 数值模拟方法

运用流场分析软件ANSYS-C'FX，采用Particle模型对固液两相流金属密封球阀内部流场进行数值模拟，由于阀门工作压力为1.6 MPa，所以进口采用压力进口，压力出口采用Opening条件，出口参考相对压力为0。采用SIMPLEC算法求解二阶迎风格式离散方程。在模拟固液两相流动时，当固体颗粒体积分数>0.1%时，可视为密相固液两相流。考虑到相见拖曳力与滑移速度的影响，采用非均相流模型。对于连续的流体，采用标准k-E湍流模型;对于离散颗粒相，采用离散的零方程模型。此时，需将固相颗粒的分子瓢度设置为一个无关紧要的微小量，相间拖拽力采用Uidaspo w Drag模型。代数方程迭代计算采用亚松弛，设定收敛精度为10^-4。

壁而处的磨损程度与固体颗粒相的滑移速度和体积分数密切相关，根据Finnie提出的切削模型，理论上单个颗粒对材料的磨损量与滑移速度的关系应为平方关系，体积分数的大小决定了固体颗粒相切削壁而次数的多少，所以，研究壁而处固体颗粒相的滑移速度和体积分数为定性分析壁而处的磨损程度提供了参考依据。

2 计算结果及分析

颗粒浓度为10%颗粒直径为0.05 mm，进口压力为工作压力，对金属球阀内部的固液两相流动规律与磨损进行分析研究。

2.1 阀门中截而上固相体积分数

通过CFD-Post软件建立阀门中截而，通过云图工具得到的中截而上的固体颗粒浓度云图如图2所示。

图2 固相分布云图

由图2可以看出，不同开度时，在阀门进口段固体颗粒分布较为均匀，在进口段与阀芯的交界而处固体颗粒浓度较大，尤其是随着阀门开度的减小，交界而处的固体浓度变大，此处的磨损比较严重。阀芯壁而处的固体体积分数明显大于阀芯内，并且随着阀门开度的减小，阀芯与出口段交界球而上固体颗粒比较集中。出口段内固体相呈现层状分布，其中壁而处固体颗粒浓度较大，在出口段中心靠下位置固体颗粒浓度最小，并且分布而积较大，出口段靠近连通阀芯的部位，固体颗粒浓度较大，在出口固相分布而积较广且浓度高。

2.2 阀门中截而固体相表而速度分布

利用后处理软件CFD-Post，通过云图工具可以得到阀门中截而上的表而速度云图如图3所示。

图3 中间截而固相表而速度云图

由图3可以看出，不同开度下通过阀门固体颗粒的表而速度在流道中心处最大，向阀门上下两侧逐渐减小，离阀芯进出水口部位越远，表而速度越小，所以离阀芯连通的部位越近，固体颗粒对阀门的磨损越严重。比较不同开度下阀门表而速度分布云图，可以发现在阀门开度为72%时，固体表而速度在阀芯处最大，随着阀门开度的减小，阀门内的固体颗粒表而速度也相应减小，说明阀门在相同部位，大开度下的磨损程度要大于小开度下的磨损程度。在连通区域内，从阀芯进口部位到出口部位，表而速度基本上依次减小，说明阀芯进口处的磨损速率要快于阀芯出口处的磨损速率。

2.3 阀门中截而固体相流线

利用后处理软件CFD-Post，通过流线工具可以得到阀门中截而上的表而速度流线如图4所示。

图4固体表而速度相流线图

由图4可以看出，随着阀门开度的减小，阀门内漩涡数量增多，并且漩涡的范围增大，说明小开度时阀门内流动损失比较严重，易产生振动和噪音等现象。表面速度较大处，固相流线较为平顺，表面速度越小越容易形成漩涡区。阀门进口段流动较为平顺，基本上无漩涡存在，在阀芯内形成漩涡，在阀门出口段，漩涡最为严重，并且在阀芯和出口段，离主流部分越远，越容易形成漩涡。

2.4 阀门中截而压力分布

利用后处理软件CFD-Post，通过云图工具可以得到阀门中截而上的压力分布云图如图5所示。从图5可以看出，从阀门进口到阀门出口，压力逐渐减小，压力梯度变化不大，局部出现负压。在进口段与阀芯连通的部位、阀芯与出口段连通的部位压力变化较大，最大压力都出现在进口段与阀芯的交界而处，最小压力出现在阀芯出口靠下的出口段内，尤其是小开度下，此位置压力更低，低压区而积更大，甚至出现负压，所以更容易产生汽蚀，加剧了对阀门的磨损，影响阀门的稳定运行。

图5中截面压力分布

3 固液两相流球阀流动阻力系数计算

流体通过球阀时，其流动阻力损失以阀门前后的流体压力降表示，其公式为

其中:△p为被测球阀进出口的压差;K为球阀流阻系ρ数为流体的密度;V为阀门进口速度。

通过CFD-Post软件可以测出阀芯在不同开度下的进出口压力，通过计算可得到流体通过阀门时的压降，其进出口压差值和流阻系数如表1所列。

通过阀门进出口压降可以得出流体通过阀门时的能量损失情况，以压降为纵坐标，阀芯开度为横坐标，得到阀芯在不同开度下的压降曲线(见图6)。由表1和图6可以看出，球阀在工作压力1.6 MPa的环境中工作时，随着开度的减小，流过阀芯的流体质量减小，阀门开度越小，进出口压差越大，流阻系数越大，损失越严重，尤其是在阀门开度为18%时，流阻系数为6 546.87，损失极为严重。

表1 阀芯不同开度下的阀门进出口压差值和流阻系数

图6 阀芯开度与压降曲线

4 结论

（1）流动介质为固液两相流时，在阀芯壁而处的固体浓度较大，易磨损，随着阀门开度的减小，壁面处颗粒浓度增大，加剧磨损。

(2)阀门开度越大，流量越大，球阀内固体颗粒表面速度越大，阀体和阀芯的磨损越严重。阀门开度较大时磨损主要为磨粒磨损，而小开度下，由于阀门内局部低压区面积较大，磨损主要为汽蚀磨损。

(3)阀芯开度较大时，阀门内的流动比较均匀，随着开度的减小，在阀芯内开始形成漩涡，在阀门出口段漩涡发展，流动损失较大。