基于SolidWorksFlowSimulation优化球阀结构

基于SolidWorksFlowSimulation优化球阀结构
摘要：应用SolidWorksFlowSimulation对一款球阀半载及满载状态下的直口型和圆口型两种球体启闭件进行对比，共设计了四个CFD项目：（1）半载+直口型；（2）半载+直口型；（3）半载+圆口型；（4）满载+圆口型。

一、引言
球阀因结构简单、密封性好，而且在一定的公称通径范围内体积较小、重量轻、材料耗用少、安装尺寸小且驱动力矩小，操作简便、易实现快速启闭，是近十几年来发展最快的阀门品种之一。

其工作原理是：启闭件（球体）由阀杆带动，并绕方工球阀作轴线作旋转运动的阀门，可用于流体的调节与控制，其中硬密封V 型球阀其V型球芯与堆焊硬质合金的金属阀座之间具有很强的剪切力，特别适用于含纤维、微小固体颗料等介质。

球阀的主要特点是本身结构紧凑，适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等，在各行业得到广泛的应用。

二、项目描述
球阀在使用过程中，通过启闭件的旋转，控制流体的流量。

因启闭件长期与流体接触，承受流体的冲压，容易磨损。

为提高球阀的使用寿命，有两种方法：（1）选用耐磨性好的材料；（2）优化球阀内部结构，而结构设计是否合理，需要经过物理实验来验证。

引入计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）分析后，在做物理实验之前，需要借用流体分析来预测启闭件在使用过程中的与流体间的相互作用，以优化内部结构。

为了更好地验证球阀在使用中流量、启闭件阀口状与流体之间的关系，本文以一款球阀为例，设计了四个CFD方案，运用SolidWorksFlowSimulation软件对其阀体进行CFD分析，以对比不同的阀口结构及流量下，各结构内的流体流进球阀内部流体流动状态，以达到优化球阀结构的目的。

通过流体分析，可预测不同条件下，流体在球阀内的流动状态，通过对比选择较佳结构设计。

此外，球阀的使用者一直有一个误解，认为若流体中夹杂了颗粒，提前过滤流体可有可无，只要增大流体流量，提高流速，就能把杂质冲走。

通过粒子示踪等分析，粒子随流体进入球阀后，很难随流体全部带走，因此在球阀使用前，要对流体内的杂质进行过滤，十分必要。

球阀在使用过程中，流量可通过外部控制，为方便理解，按1kg/s为满载，0.5kg/s 为半载进行对比。

目前市面上，球体启闭件大致也有两种结构，一种是直口型，一种是圆口型。

为更好地进行对比，设计了四个CFD方案，如表1所示。

表1 四个CFD项目明细
三、模型简化及相关参数解释
1.简化模型创建
球阀的原始模型非常复杂，简化处理后，基本组成及坐标系如图1所示：入口、出口、左半壳、右半壳、手柄及球体启闭件。

流体从入口进入左半壳，沿球阀体启闭件内部空间，流至右半壳，再从出口流出。

球体启闭件与手柄连接，通过旋转手柄控制球体启闭件内流体的流通。

球体启闭件内孔设计有直边和圆角过渡两种，以球阀满载为1kg/s、半载为0.5kg/s为例，可以通过四个CFD项目对比，选择最适合的内孔设计。

图1 球阀简化结构
2.相关参数解释
球阀在工作中，流体可为流体或气体，若要预测流体中夹杂的固体颗粒等杂质，随流体的情况，需要进行粒子示踪分析。

相对整个气体质量流量很小，对气体流动的影响甚微，因此，可用粒子示踪法来模拟胶体溶液里悬浊液及物料粒子随气流的运动状况，这类数值模拟分析是基于以下假设：（1）示踪粒子是有体积（直径可设定）的质点；（2）示踪粒子对流场无影响；（3）示踪粒子之间无相互作用；（4）示踪粒子的运动完全由流场决定。

四、前处理
1.边界条件等设置
在SoidWorksFlowSimulation中设置：分析类型为内部流动，流体为“水”；其他设置为默认。

边界条件设置：入口流体的质量流量为按表1中各项目的入口流量设置；出口设为环境压力。

（a）内部分析及添加重力（b）流体选择
图2 参数设置
2.网格划分设置
因球阀内部最小缝隙为2mm，则设最小缝隙尺寸为2mm，并选“优化薄壁面求解”及“优化薄壁面解析”，计算结果详如表2所示。

表2 计算情况
五、求解
SolidWorksFlowSimulation可直接进行四个CFD项目的批处理计算，可以节约大量人工操作的时间，如图3所示。

图3 批处理运行计算
六、结果分析
1.静压分布云图
图4是各项目内部流体静压分布云图，从图中可知，从颜色上观察，直口型球阀（项目1~2）的入口与出口的压差大，而圆口球阀（项目3~4）的入口与出口的压差较小。

从数值上定量分析，取入口与出口的表面静压平均值，列于表3，明显观察到，当入口流量由0.5kg/s（半载）提升到1kg/s（满载）时，两种阀体的总背压都提升了100KPa，但无论是半载还是满载，圆口阀都比直口阀的背压低了一倍，背压降低了，可减轻阀体的承载压力。

在这方面上，圆口阀更有优势，这与实际情况也非常吻合。

表3 表面静压图
4 各项目静压分布云图
2.速度分布云图
图5是各项目内部流体速度分布云图，可发现，项目1的最高速度为8.2m/s，项目2的最高速度为16.3m/s，项目3的最高速度为6.9m/s，项目4的最高速度为13.6m/s，随着入口流量的增加，满载比半载的速度提高至一倍。

相比直两种球阀，无论是半载还是满载，圆口阀都比直口阀的最高速度小，这样可以减缓高速流体对球阀内壁的冲击。

此外，从图5中也可观察到，圆口阀对高速流体可起到很好的分流作用，且改变了流体的主流方向，而直口阀缺少这方面功能。

因此，圆口阀仍然更有优势。

图5 各项目速度云图
3.流线轨迹
图6是用“流动轨迹”的方式直观地显示内部流体速度场分布，从图中颜色可看出流体的速度，而箭头表示出流体的运动轨迹，SolidWorksFlowSimulation还可以做出动画，能更直观模拟出流体从进到出的整个动态过程。

在入口设60个条轨迹线（代表流体轨迹），观察从入口进入阀体内部后流体的走向。

从图6中可知，直口阀（项目1~2）在红色圈中的地方，有明显的与阀体内壁撞击回弹部位，而圆口阀（项目3~4）无明显的撞击回弹位。

此外，还观察到圆口阀有更好的改变流体流向的功能，这与速度分布云图的结论也是一致的。

图6 项目流线轨迹图
4.粒子示踪及粒子统计
流体流经球阀时，或多或少会夹带一些杂质，通常认为，满载时因流量大，杂质易随流体流出。

为了更好地模拟流体所含杂质在阀体内的运动情况，可用“粒子研究”来预测不同粒径的杂质随流体经过阀体的状态，随流体进入阀体的粒子粒径也有不同，可设定0.5mm、1mm和2mm三种粒径，分别计算后，运用“表面参数”命令，选择出口面下的粒子数，进行对比，列于表4。

可观察到，两种阀体带出杂质的能力都不佳，当粒径小时，粒子随流体出入的概率大，且对于较小粒子（0.5mm），从圆口阀流出的概率大，若粒径增大（2mm），从圆口阀流出的概率反而相对直口阀低。

从分析结果来看，当粒径为0.5mm时，圆口阀相对直口阀，杂质颗粒更易随流体流出，而随着粒径增大至1mm和2mm，流体通过圆口阀反而更不易随流体流出，因此将大粒径的杂质颗粒过滤掉非常有必要。

此外，也可大
致总结出杂质颗粒带出情况与流量的关系：无论是粒径为0.5mm、1mm或是2mm 时，均未发现满载比半载带出杂质的能力更好，预测的结果是满载下，杂质随流体出能力反而略弱。

表4 杂质在不同粒径下的流入流出情况
七、结语
本文通过对比满载和半载状态下，直口阀和圆口阀四个CFD项目，得出无论是在半载或满载情况下，圆口阀对轻缓流体对阀腔内壁的冲击力，减轻整体阀体背压具有较显著的功能，因此相对直口阀，圆口阀是较为合适的设计，因此在相同条件下，推荐使用启闭件是圆口的球阀。

需要注意的是，通过粒子示踪等分析，预测了不同粒径的杂质颗粒流入流出球阀情况，两种阀体随流体带出杂质的能力都不佳，提前过滤流体非常有必要。

并对于行业中的“只要增大流体流量，提高流速，就能把杂质冲走”观点提出了质疑，预测对0.5mm、1mm和2mm三种粒径的示踪分析显示：未发现满载比半载带出杂质的能力更好，反而预测到在满载情况下，杂质随流体出能力相对半载略弱。

该分析对球阀的实际使用，有很好的参考价值。