江帆 岳鹏飞 肖纳

（广州大学 机械与电气工程学院，广东 广州510006）

摘要：流体的物性参数对其在阀门内流动产生较大的影响。利用数值模拟方法分析不同物性的流体流经不同开度球阀时流动结构的变化情况，探讨流体的物性参数对其通过阀门时流动结构的影响规律.结果表明，不同物性参数的流体均表现出相似的流动结构变化趋势，进一步对比了不同开度上各流体在球阀后产生流动结构(射流与涡旋)的变化，其熟度越高，阀后流动结构的变化越迟缓，速度突变也越小。

关键词:球阀;物性参数;流动结构;射流;涡旋;数值模拟

球阀主要用来接通、切断管路中流体的流动，是管路系统中的重要控制元件之一，其启闭过程对其内部流动状态产生影响，因此分析阀门启闭过程中内部及上下游的流动特性是阀门领域的重点研究内容.赵莹等C17利用流体软件Fluent对球阀内部的分离流动进行了分析，刘华坪等川利用动网格技术对阀门瞬态行为进行了数值模拟，石柯川对球阀开启过程的瞬态流阻特性进行了数值模拟与实验研究，杨国强等川对球阀内壁三维流场进行数值模拟仿真，探究了球阀开启过程中内部流场的变化，王朝富等川对强制密封的球阀内部流动进行分析及结构优化.这些研究对理解球阀内部复杂流动具有重要作用，但多数研究集中在常规流体，如水和气体，很少涉及流体物性对其在球阀内部流动结构的影响。

石油的管道运输同样会流经阀门，阀门启闭过程会对流动结构产生影响.为了进一步研究石油单相流和油水两相流在阀门中的流动状况，本文对一些高瓢度流体(如矿物油、白油等)在球阀内的流动结构进行研究，探究不同流体在其通过阀门后的复杂流动结构(涡旋与射流)的变化，掌握其流动规律，为高瓢度石油输送管道系统的操控参数优化及油水环状流在复杂流动结构下的稳定性提供参考。

1 流动控制方程

流体在球阀内部流动遵守质量守恒、动量守恒定律，同时湍流采用标准的K-ε湍流模型，具体如下：

1)连续性方程为

式中:▽为散度;ρ为流体密度;v为流体速度;t为时间.

2)动量守恒方程为

式中:G_K为由于平均速度梯度引起的湍动能;G_b,为由于浮力影响引起的湍动能;Y_M为可压缩湍流脉动膨胀

2 计算模型

根据分析要求对球阀内部结构进行简化，利用LAD软件SolidWork、创建球阀的三维模型，其流道的直径为20 mm，入口管道和出口管道长度均为40 mm，见图1.根据球阀三维模型创建球阀内部流动区域的模型见图2，整个模型由入口管道、阀芯和出口管道组成。

图1 球阀简化模型

图2 流动区域模型

对流动区域模型进行网格划分，利用ICEMCFD将流动区域划分为非结构网格，由于球阀阀芯是湍流的起点，在阀门由关闭到开启的过程中一直保持较高的流速，紊流现象比较严重，需要对阀芯的网格进行加密处理，以提高阀芯处流场的模拟精度.定义全局网格参数为0. 8，生成图3的以四而体为主的非结构网格，经过多次试算表明，网格数量80万时所得结果与网格数量50万的结果相差不大，为了节省计算用时，本文采用网格数量为50万的模型进行后续分析。

球阀的开度工况为10%，20%，30%，400%,50%，60%，70%，80%，90%和100%.为了了解石油在管道输运中的流动结构，本文选择与石油的物性相似的两种油(矿物油、白油)，同时选择水作为对比，故计算中选择了3种流体，各流体的物性参数见表1.每种流体均对10%~100%的10个开度进行计算仿真.设定的边界条件为:入口为速度入口，设定流体的入口速度为3 m/s;出口采用压力出口，其余均为壁而.由于雷诺数超过临界值，流动区域会产生湍流，因而对该区域采用标准k-ε湍流模型.采用CFD软件Fluent 16求解流动控制方程，求解方法为SIMPLE算法，各项的离散格式全部为二阶迎风格式，双精度求解。

图3流动区域网格模型

表1各种流体的流体性质

3 模拟结果分析

3.1 不同开度下计算区域射流与涡旋结构分析

如前所述，阀芯每转动10%为一个开度，每个开度下分析3种流体，共计算了30个案例文件.通过数值模拟，可以得到压力、速度、湍动能等物理量的分布.由于普通的流动结构参数(如边界层的形成与脱体、流体的剪应力分布等)己有研究，且本文为后续环状流受涡旋和射流作用下的稳定性问题，着重关注阀门开启过程的射流与涡旋结构信息，因而仅对典型开度下流动区域射流与涡旋结构变化情况进行分析。

射流与涡旋结构均为三维结构，为了分析与比较方便，本文采用平而Z=0作为分析平而.同时，在本节的定性分析中采用射流与涡旋强度作为评价指标，其中:射流强度用最高流速表示;涡旋强度用涡旋中心流线密度表示.图4为20度(阀门打开的百分比)白油的分析结果，从图4可以看出，流体在流动区域均形成了较为明显的射流与涡旋，涡旋发生在阀前、阀中、阀后，射流发生在阀内与阀后。

图4 流动区域的流动结构

图5为阀门开度为20%时3种不同流体流经计算区域的流线图.当阀门在20%开度时，由于开度比较小，流动区域的截而出现急剧变化，如图5中进入阀门处与阀门出口处.由于流动截而急剧收缩，流体速度快速上升而形成射流，射流主要集中在阀门入口与阀门出口位置，同时，在阀前、阀内与阀后形成复杂的涡旋流动。

矿物油的瓢度比较大，其在流动过程中的最高速度相对其他两种流体会略小一些，同时涡旋的而积也相对较小，涡旋数量较少，涡旋位置相对居中.而白油与水，由于瓢度较小，在特征平而形成明显的3个涡旋，而且瓢度越小，涡旋强度越大，射流强度越大。

阀门在50%开度时(图6)，管道内部己经可以形成较多的连续流线，这表明阀门开度增大，流动截而增加，流体通过能力增强，而最大出口速度己经明显减小。

对于矿物油，出口管道的流线比较整齐，速度波动变小，涡旋不太明显，强度减弱，并且涡旋位置进一步向上移动。

对于水，由于瓢度最小，当截而变化减少时，其最高流速衰减较小，高于矿物油很多，仍旧可以形成明显的涡旋，涡旋而积相对较大，位置较20%开度时变化不大。

对于白油，瓢度和水相差不大，其流动状态与水类似，此外为了证明流动状态的变化与密度无关，将白油的密度改为水的密度再次进行模拟，发现结果相差不大。

当阀门在80%开度时，流动截而变化较小，3种流体的涡旋均出现较大衰减，见图7.此时3种流体的流动速度在流动区域变化不大，其中:水与白油的流线在出口处集中在中部，涡旋向后移动并向管壁移动(涡旋中心己经移出计算区域);而矿物油的流线较为均衡，整个管道流动速度较为均匀，涡旋出现在阀后的旋入侧，强度较小。

图5阀芯开度为20%时的流动区域流动结构

图6阀芯开度为50%时的流动区域流动结构

图7阀芯开度为80%时的流动区域流动结构

从图5~7对比分析可得，瓢度对流动结构有较大的影响，高瓢度流体能够抑制涡旋的产生。

3.2 不同物性参数下计算区域涡旋迁移规律分析

为了对涡旋的位置进行定量分析，需要确定涡旋中心的三维坐标系，如图8所示，取球阀的中心为坐标原点，分别绘制每种流体涡旋位置的X,Y,Z坐标与阀门开度的曲线(图9).图9中没有绘出的点表示该种工况涡旋不明显或涡旋中心己经远离计算区域，由于涡旋关于X轴对称，见图9c，这里仅绘出涡旋Z坐标的负向位置。

图8 关于涡旋中心的三维坐标系

从图9中涡旋中心位置在X,Y,Z三个方向的变化情况发现，随着阀门开度的逐渐增大，3种流体的涡旋中心都沿Y轴和Z轴的正方向移动，其中矿物油和白油2种瓢度较大的流体的移动规律较为类似，涡旋中心均由管道中心向贴近管壁的位置移动，并且随着开度的不断增大，涡旋中心沿X轴正方向远离出口管道，并逐渐移出计算区域;而水作为低瓢度的流体，涡旋中心变化在X方向与矿物油和白油不一样，在开度达到40%以前，涡旋中心沿X轴移动不大，40%以后则沿X轴正方向移动.为了确定造成这种差异的原因，改变矿物油和白油的密度与水相同，再次进行模拟，发现结果差异不大。

因此，可以确定影响流体通过阀门流动状态的主要因素是流体的瓢度.水的瓢度小，流动性好，流动速度和流动方向比较容易发生改变，而高瓢度的油，涡旋位置变化比较迟缓。

3.3 射流结构分析

射流主要集中在较小阀门开度时出现，此时由于流体的流动截而急剧减小，而后又急剧增大，使得靠近进阀芯与出阀芯的位置发生明显的射流现象。

以下主要定量分析射流距离(其中射流距离定义为:以分析涡旋中心时建立的坐标系为原点，规定当喷射出来的流体速度减小到13 m/s时，其在X轴的坐标即为射流距离)随阀门开度的变化。

图9涡旋中心的变化规律

图10给出了射流距离和阀门开度之间的关系。

由图10可以看出，相同开度下，水的射流距离最远，而且随着阀门开度的增大，射流距离下降的斜率较大，而其他两种油的射流距离变化较为平缓，这也说明瓢度继续增大对射流距离影响不大。

图10 射流距离和阀门开度之间的关系

4 结论

1）不同的流体在其通过阀门时，流速会随阀门开度不同而发生变化，而瓢度越大的流体，速度的突变越小。

2)流体物性对流体流经阀门过程的流动结构产生影响.瓢度较大的流体，对涡旋和射流均有所抑制，表现为涡旋强度与涡旋变化缓慢，射流强度与射流距离同样变化迟缓.管道运输高瓢度的石油时，流动变化较迟缓，而当流动结构被破坏后，需要很长时间才能恢复，故需要快速启闭阀门，以减少对流动影响的时间.

3)不同流体在阀门开启过程的流动结构变化规律将对后续的环状流在复杂流动结构变化下的稳定性研究提供参考。