不同锥角V形球阀流动特性分析

Vol. 45 No. 3Mar. 2021
第45卷第3期2021年3月
液压与'动
Chinese Hydraulics & Pneumatics doi ： 10.11832/j. issn. 1000-4858.2021.03.024
不同锥角V 形球阀流动特性分析
毛 伟S 郑雨松2，王东瑞2，孙 瑾S 窦向贞1
（1.博雷中国控制系统有限公司，浙江杭州311200；
2.浙江理工大学浙江省流体传输技术研究重点实验室，浙江杭州310018）
摘要：V 形球阀是一种性能优良的调节阀，但在一定条件下会发生空化，从而对管路造成损害。

为了
研究截流面积对V 形球阀内部流动的影响，通过数值模拟的方法，对V 形球阀在空化与非空化工况下的内
部流场进行了研究，同时对比分析了不同锥角和不同开度下V 形球阀流量特性、阻力特性、空化特性的变化 规律。

结果表明：V 形球阀的流量系数随开度和锥角的增大而增大，且阻力系数随着开度和锥角的增大而减 小；V 形球阀的能量损失随着锥角的增大而减小；随着开度的增大，V 形球阀流道内的空化程度减小。

研究
为V 形球阀的应用与设计优化提供了理论依据。

关键词：V 形球阀；流阻特性；空化；数值模拟；流场分布
中图分类号:TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858 （2021 ）03-0165-07
Flow Characteristics of V-shaped Ball Valve in
DiSerent Cons Angle
MAO Wei 1, ZHENG Yu-song 2, WANG Dong-ci 2, SUN Jin 1, DOU Xiang-zhen 1
(1. Bray International, Inc., Hangzhou , Zhejiang 311200； 2. Key Laboratoo of Fluid Transmission Technology
of Zhejiang Province, Zhejiang Sci-Wech University, Hangzhou , Zhejiang 310018)
0$+-.： V-shaped bll vvlve is c high peWbmlanca reculation equipment. However , csvitation will occur in it
under certain conditions , esusing damage to pipelines. Aiming ct studying the inOuencs of the sectional tera on the internal Oow, the inner Oow field of V-shaped bll vvlve is investigated in both csvitation and non-csvitahon
conditions using numScsl m ethod. In addition , the changing rules of dmerent angles and openings on Oow feature , resistance popeCy and csvitation charactewstia of V-shaped bll vvlve are compared. The results indicate
ihaiihElaagEaihEopEningand angl is , ihEbiggEaihEtlowsoE t isiniis , whil ihEsma l ihEasis iansEsoE t isi n i
is. Besides , the laraer the cone angle of V-shaped bl l vvlve is , the lower the eneray loss is. Furthemioro , the csvitation decree in V-shaped bll vvlve drops off with the increcso oO opening. The awicla provides a theoreticsl
basis for the application and design opUmizlion of V-shaped bll valve.
Key wordt : V-shaped bll wive , Oow resistance charactewstice , csvitation , numtcsl sisulation , Oow
tieHd disiaibuiion 引言
球阀是常用的调节阀，具有调节性能好、使用寿命
长等特点,在工业生产中占有重要位置。

此外,空化是
流体传输系统中的一种破坏性现象[1],会对固体表面 造成侵蚀和振动等不良影响，严重危害了阀门的安全
性和可靠性。

因此，对于空化现象的研究具有重
要意义"
目前,随着数值方法的不断完善和计算机硬件的
不断优化,计算流体力学（CFD ）也成为流场分析的重
收稿日期（2020-08-22
作者简介:毛伟（1982—）,男，浙江衢州人，硕士研究生，主要
从事流体机械内部流动优化与水液压技术研究。

166液压与'动第45卷第3期
要工具$2",,该方法具有很高的，可
助的流阻和空化进行大量研究工
作。

SHIRAZI等⑴同度下的流进行了
数值计算，了出口出现的压差和涡流,并通过
现有文进行了验证。

CHERN等$8%采
跟踪流可视化(PTFV)方法,对不同开度和进口速
度的流场进行了分析，内的空化
现象进行了可视化研究。

MOSES等$9%以为
研究，分析了处于部分时的流
与空化，究了与空化现、
同造成的。

V'的一种分支，了|的优点，还有更优良的。

V'的作为最的，流积
的重要因素。

近年来，不少研究始对V'
进行探究分析。

张$10%通过数的方法研究了V'小开度下的，提出了优化方法,并通过证了其合°CHERN等〔⑴采
了与合的方法，对3种不同的V'进行了研究，分析了其流，量了各性参数。

MERATI等$12%同时CFD和方法,通过率来对V'周围脱落的结构与进行研究，其中使用了光学多速仪(LVD)和高速关参数进行了测量°综上述，对V'的研究具有的重要性和可行性。

目前，工造中使用较为的为60。

的V'，于同流和化的方面的研究还很少。

本研究则以40。

,60。

和80。

的V'为研究，Fluent软其空化和化下内部流动进行数，对比分析了不同和不同开度下V'的流量、阻力和空化。

本研究通过同V'|内部流动和空化的预测，为后同场合的与设计优化提供了，进增强了V'的。

3理模
V'的会内部流很大。

如图1所示，本研究选取40。

,60。

,80。

的进行流。

进口流道长度选取为5径,出口流道长度选取为10径，图2为V'
同开度时的流道图。

图】阀模型
2计算方
2.1控制方程和湍流模型
流体流量守恒、动量恒和能量守恒定律$13%。

于湍流流动还需加的湍流方程。

Realizable k和RNG k模型在漩涡和旋转方面显现出比较好的$14%o本研究采用Realizable k 流进行数，其方程为：
普($)++$/p阿)=話皿+&)韵+
9k+9b-P#-：M+S k(1)鲁($'+十($-)=話［(“+
P<S#-pC2-^#+9+S#(2)
k+槡槡$兀
式中，C1=max[0.43,''5]；'二S-),为层流速度梯
度的湍流；9为浮力的湍流动能;：M为过度扩散的波动・G,C1#为常量。

2.2网格划分
本研究采用IDEM软件进行构分，并分进行了局部加密，成约360万个，图2所示。

图2
2.3边界条件
进口边界设置速度进口为3m/s,
出口边界
2021年第3期液压与'动167
图3不同锥角时性能曲线
条件设置压力出口为0.1013MPa；介质假定为液态,采用有积法中的SIMPLE算法。

3计算结果分析
3.1性能预测
1）流量系数
流量系数的流通能力$15%，其表达式为：
式中，#——流量系数
Q----流量
P——密度
"p----后压差
图3a为同锥角时,V形球阀流量系数的变化曲线。

可以看出，流量系数#随着开度（的增大而增大，度达到100%时达到最大值。

对比同
的V形发现，开度小于40%时不同流量系数变化规律，开度大于40%时，流量系数随着的增大而增大。

2）阻力系数
阻力系数流体在管路中受到的阻力作用$16%，其表达式为：
#宀（4）
pv
式中，#——阻力系数
$——流流速
图3b为同时,V形阻力系数的变化曲线。

可以看出，随着开度的增大，不同V形球的阻力系数下降;当度达到100%时，三种V形的阻力系数均趋于0。

比同的阻力系数发现，最大阻力系数随着的增大而减小;在50%度之后，随着开度的增大，3种V形球阀的阻力系数都趋向于0。

3）指数
指数&的一般计算公式为：
12
式中，&——指数
P1——进口压力
p------------出口压力
p——液体饱和蒸气压
图3c为化下，不同V形|气穴指数的变化曲线。

可以看出，指数&随开度和锥的增大而增大，当指数增大时,造成的损失随之减小，即V形流道内的空化程度化
减小。

3.2流场分布
1）压力
图4a为30%开度时不同锥角V形球阀的压力云图。

可以看出，进口部分流体的压力较大，进入后压力逐渐减小，出口处的压力最小，随后增大。

对于内部，进出口的出现了局部高压区,且随着V形的增大，局压区压力增大。

图4b为60%度时不同锥角V形球阀的压力云图。

可以看出，进口部分流体的压力较大，进入后压力逐渐减小，出口处压力最小，随后增大。

在进口处,400V形的压力最大,800
的压力最小。

内，进出口的出现了局压区，其中400V形的高压区最明显,压力也最大,60。

锥角的高压区缓和,800
的高
168
液压与'动
第45卷第3期
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.08 0.10 0.12
0.14 0.16 0.18 0.090 0.093 0.096 0.099 0.102 0.105
40°
p/MPa
p/MPa
p/MPa
_ 1 1 r 1 1
1 1 1 :MF~------r 1 1 r 1 --------a) 30% b) 60% c) 90%
图4不同锥角V 形球阀的压力云图
r/m-s'1
^/m-s'1
I 40°
60°
80°
Q/nrs"
a) 30%
b) 60% c) 90%
图5不同锥角V 形球阀的速度云图
压区 变化。

说 60%开度时,大锥角V 形球阀的内 压下降较慢。

图4c 为90% 度时不同锥角V 形球阀的压力云 图。

可以看出，进口部分流体的压力较大，进入
后压力
减小，
进口处压力降到最小,随后又逐增大。

在整个流 中,压力的变化趋 显。

进口处,40。

V ' 的压力最小,且低压
区面积最大;80。

的压力最大，低压区面积最小。

于大开度时，大 V 形 的流通面积较
大，流 过时的静压下降幅度较小。

述,V 形球阀进口与出口流通面积的骤变
会导致高速带的。

大度时的高速带范围更大,
V 形 后段的压力随开度的增大而增大，在相同开度下整个流道内的压力变化趋势基本一致，但小
度时流速更大，
低压区的压力更小。

2)速度
图5a 为30%开度时不同锥角V 形球阀的速度云 图。

可以看出，在进口处流体速度较小,进入 后开 始增大，而
内
减小，
出口处 始增大， 下 缓慢减小。

进口处,40。

V 形 的速度最大,80。

的速度最小。

图5b 为60% 度时不同
V 形球阀的速度云
图。

可以看出，在进口处流体速度较小,进入 后开始增大，而 内部速度 减小， 出口处 始增大， 随后 出口 分速度 始缓 减 小， 中
近阀芯出口的壁面速度较大，远离阀芯出口的
速
度较小。

进口处,40。

V 的速度最
大,80。

的速度最小，且各
V 的速度最大
小于同锥度下30%度时的速度。

图5c 为90% 度时不同
V
的速度云
图。

可以看出，在进口处流体速度较小，进入 后开
始增大，而
内速度
减小，
出口处开
始增大，随后在出口部分速度开始缓慢减小。

不同锥
的V 形
的
处均出现了不同面积的
低速区，其中40。

V 的低速区面积最大。

进口 处， 40。

V 形 的速度最大， 80。

的速度最小。

3)流线
图6a 为30%开度时不同锥角V 形球阀的流线
图。

可以看出，
出口处 了明显的涡流，不同
V 形
的涡流 同 。

图6b 为60%开度下不同
V 形球阀的流线
图。

可以看出，在与图6a 相同的 也 了涡流,
同样
2个低压区中间。

在40。

与80。

种
下， 内
了较小的涡流。

图6c 为90%开度下不同 V
形球阀的流线
2021年第3期液压与'动169
图6开度时不同锥角V形球阀的流线图
Entropy generation[xlO6]Entropy generation[xlO4]Entropy generation[xlO3]
0.1030.50.70.9 1.11300.250.500.751 1.25 1.50 1.75200.20.40.60.81 1.2 1.4 1.6 1.8 2
a)30%b)60%c)90%
图7不同锥角V形球阀的爛产云图
图。

可以看出，未出现涡流，且流线较均匀。

在90%
度下流通面积大，基本不会出现速度突变。

4'痛
本研究采用爛产生率(EPR)来分析V形球阀内
部的能量损失，达式为：
(!d)〃"书(6)
(!d)'〃二(；D)* +(!d)*(7)
式中，9----能量传递速率
(!D)时均运动引起的特定爛产生率
(S D，)$——速度波动引起的特定爛产生率
分别可表示为：
(S D)*2MefO
eft X
(8)
$-5$u\52+/$-5$-552+/$-5$u552
$2$22$2$23$23$22丿
(9)
式中，$-1，$-2，$-3为时均速度分量；$-k，$-k，$-3为
速度波动分量；%ff#的有效黏度，可示为：
MefO"% +%t
(10)
(S d，)〃+礫(11)
式中，％为湍流黏度；"=0.09；+为特征频率;)为湍
流中的湍流波。

时、速度波动和湍流流动引起的爛产生
率S d，S4,S d可分别表示为：
s D二&S4)〃0(12)
S d，二&S d，)〃0(13)
S d二S d+S d，"&S d)〃0(14)
图7a为30%开度时不同V形球阀的爛产云
图。

可以看出，同时，内的分布也不
同。

随着V形的增大，量损减
小，40O V形的和分布面积最大,
800
170液压与'动第45卷第3期
的爛产和分布面积较小。

在30%开度时,能量损主要集中在V形进口与出口的后端。

图7b为60%度时不同V'的爛产云图。

可以看出，随着V形的增大，量损现出减小的趋势,40。

V'的：和分布面积最大,80。

的和分布面积较小。

，也内部的分布，在小下，能量损失程度明显更大,能量损失的分布范围显更广，落中也存量损失。

图7c为90%开度时不同锥角V形球阀的爛产云图。

可以看出，随着V'的增大，量损减小。

40。

V'的数值和分布面积最大，且小V'损的区域主要集中进口的后方。

述,开度与V'的分布均存要。

越小，则流通面积越小，速度变化也越大。

出口速度过大导致剧，从而量损失。

内的更大、分布范围更广，且能量损失也更。

5)气体体积分布
图8a为30%开度时不同锥角V'球阀的气体体积分数分布图。

可以看出，后有区。

由图6a 分析可以得出,2个低压区中间存在较大的涡流,而易发化，增大的过程中，积分数的最大值有所降低，于流通面积随增大而导致的。

图8b40%度时同V'的
积分数分布图。

可以看出，各V'的空化发进口处，但与小开度相比，最大体积分数还是空化范围，都有大幅度的降低。

于开度达到40%时，流通面积变大，'成空化。

因只有在流速变化最剧烈的进口与出口连接处才有可能发化。

述，锥角和开度都会通过影响流通面积而化。

由于流通面积的变化导致了流速变化，进而压力发生变化,最终发化。

空化随和开度的增大而减弱。

通过对比数据，在40。

时,空化到70%度才消失;在60。

时，空化60%度时消失;在80。

时，空化50%度时便消失了，而
现象也符合指数显示的空化关系。

4结论
(1)V'球阀流量系数随着锥角的增大而增大,阻力系数随着锥角的增大而减小，气穴指数随着锥角的增大而增大;
Volume fraction[xlO-1]
0.20.61 1.4 1.8 2.2 2.63
a)30%
Volume fraction[xlO-2]
00.10.20.30.40.50.60.70.80.91
40°60°80°
b)40%
图8不同锥角的气体体积分数分布图
(2)V'球阀阀后低压区的压力随开度的增大而增大。

而同开度下，流内压力的变化趋势基本一致。

小度时,V'的阀后低压区之间会出现明显的涡流，同下的涡流都处于相同。

,入口的速度随的增大而减小。

上
同和开度下,高速区入口和出口处产",V'的越小，则越大,其分布范围也越广。

开度越大，则越大,其分布范围也越;
(3)V'的开度越大，其空化程度越小。

锥角越大，化程度也越小。

本研究通过同V'内部流动和空化的预测，为后同场合的与设计优化提供了，进增强了V'的安
参考文献：
$1%SHIRAZI N T,AZIDYAN G R,AKBARI G H.CFD Antysis of the Bali Valve Performance in Presence of Cavitation$J%-
Life Science Journai,2012,9(4):1460-1467.
$2%JI R,SHENG Q,SUN K,ct ai.Infuence of Different Pacmeteia on Nume/cot Simulation of Vertical-axis Marine
2021年第3期液压与'动171
Current Turbine Based on Open FOAM$J].Journal of
Doinaae and Eriaayon Machineo Engineering#2020,38
(4)：365-371.
$3]喻黎明，徐洲，杨具瑞，等•基于CFD-DEM耦合的网式过滤器水沙运动数值模拟$J]•农业机械学报，2018,49
(3)：303-308.
YU Liming,XU Zhou,YANG Juaui,eial.Numeaisal Simugtion of Water and Sediment Movement in Screen Filter
Based on Coupled CFD-DEM$J].Transactions of the
Chinese Society for Agricultural Machineo,2018,49(3):
303-308.
$4]王福军，唐学林，陈鑫，等.泵站内部流动分析方法研究进展[J].水利学报,2018,49(1):46-61,71.
WANG Fujun,TANG Xuelin,CHEN Xin,et al.A Review
on Flow Analysis Method for Pumping Stations$J].Journal
of Hydraulic Engineering,2018,49(1)：46-61,71.
$5]CHEN Y,ZHOU J,ZHANG Z.CFD Studies V Scarper Buill in SPA Clarifying Tank Based on Mixture Soild-liguid
Two-phase Flow Model$J].Journal of Doinaae and
iAigation Machineo Engineering,2018,36( 7):553-
559,586.
$6]计时鸣，葛江勤，高涛，等.基于CFD-DEM耦合的面约束软性磨粒流加工特性研究$J].机械工程学报,2018,54
(5)：129-141.
JI Shiming,GE Jiangqin,GAO Tao,et al.Study on
Machinability of SuWace-consUained Softness Abrasive Flow
Based on CFD-DEM Coupled Method$J].Journal of
Mechanical Engineering,2018,54(5)：129-141.
$7]何庆中，刘玉聪,赵献丹，等.基于CFD动网格技术的三偏心蝶阀开启特性$J].排灌机械工程学报，2019,37
(6)：508-512.
HE Qingzhong,LIA Yucong,ZHAO Xiandan,et t.
Opening Characteristics of Triple Eccentric ButteOlg Valve
Based on CFD Moving Grid Technology$J].Journal of
Doinaae and Erivayon Machineo Engineering,2019,37
(6)：508-512.
$8]CHERN M J,WANG C C,MA C H.Performance Test and Flow Visualization of Bali Valve$J].Thermal
and Fluig Science,2007,(31)：505-512.$9]MOSES D,HADER G,HENSHAW J.An InwcivyUn V the Failure of a1/4"Bal i Valve$J].Engineering Failure
Analysis,2019,(100)：393-405.
$10]张皓男，王国峰,赵巧男，等.V型球阀阀芯的数值模拟与优化$j].沈阳工程学院学报,2019,15(2)：112-117.
ZHANGHaonan,WANGGuoteng,ZHAOQiaonan,eial.
Numerical Simulation and Optimization of V-shaped Ball
Valve Coro$J].Journal of Shenyang Institute of
EnginEEaing,2019,15(2)：112-117.
$11]CHERN M J,WANG C C.Control V Volumetric Flow-rate of Bal l Valve Using V-port$J].Journal of Fluigs
Engineeaing,2004,(126)：471-481.
$12]MERATI P,MACELT M J,ERICKSON R B.Flow Inve-siigaiion Aaound aV-secioaBa l Valee$J]%Jouanalot
FluidsEngineeaing,2001,(123)：662-671%
$13]CUI B,LIA Z,ZHU Z,et al.InOuencc V Opening and Closing Process of Ball Valve on External Performance and
Internal Flow Characteristics$J].Experimental Thermal
and FHuid Science,2017,(80)：193-202.
$14]AHN S H,XIAO Y,WANG Z,ct al.Unsteady Prediction of Cavitating Flow Aound a Three Dimensional Hydrofoil
by Using a Modified RNG)-7Model$J].Ocean
Engineering,2018,158：275-285.
$15]马光飞，季健康，姚丹，等.阀体间隙对球阀性能和内部流场分布的影响$J]•排灌机械工程学报，2019,37
(11)：960-966.
MA Guangfet,JJ Jiankang,YAO Dan,ct al.Effects V
ValeeBodyCleaaanceon ValeePeatoamanceand Inieanal
Flow Field Distribution$J].Journal of Drainage and
Machineo Engineering,2019,37(11):960 -966.
$16]马光飞，季健康，丁鹏，等.不同颗粒属性下旋流阀固液
流$J].排工程,2020,38
(12)：1245-1250.
MA Guangfet,JJ Jiankang,DIAG Peng,ct al.Flow
Characteristics of Solin-linuid Two-phase Pipes with Swirl
Valve Under Different Particle Properties$J].Journal of
Daainageand I a igaiion MachineayEngineeaing,2020,38
(12)：1245-1250.
引用本文：
毛伟，郑雨松,王东瑞，等•不同锥角V形球阀流动特性分析$J].液压与气动,2021,45(3):165-171.
MAO Wet,ZHENG Yusong,WANG Dongrut,ct al.Flow Characteristics V V-shaped Ball Valve in Different Cone Angle$J].Chinese Hydraulics&Pneumatics,2021,45(3):165-171.。