关于污水V型调节球阀流阻特性分析

城市污水是一种具有非牛顿特性的幂率流体，在其中含有大量的污物，包括大小尺度泥沙类和悬浮纤维类，流动特性较水有显著差异。考虑到污水中包括的固相污物特殊性，并且为了分析和研究方便，将城市污水视为均质流体，采用单相非牛顿流体模型进行分析研究，将固相污物的影响归结到流体黏度的影响之中。由于V型调节球阀阀芯的V型切口（见图1）和球阀密封面之间具有剪切作用，可以切断纤维状的流体，密封性能好，因此可用于城市污水流动特性研究。该型调节球阀还具有流体阻力小、流通能力大的特点。调节阀内部结构复杂，而且还在不断的变化更新，随着计算机技术和数值计算的发展，运用CFD技术对流体流动进行模拟仿真分析已经成为一种普遍应用的工程分析手段，通过CFD通用软件fluent对某一型号的V型调节球阀内部流体介质的流动特性进行模拟仿真，分析不同性质流体在调节阀内部的流阻情况。

图1 V型调节球阀的阀芯结构

    1 流体计算模型

    在研究单相介质流体流动特性时，运动规律遵循三个基本守恒定律，即质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律，该课题对流体进行数值模拟研究时采用适合工程问题的k－ε湍流模型，对流体研究的控制方程如下：

    连续性方程为

         （1）

    动量方程为

        （2）

    湍动能k的输运方程为

        （3）

    湍流耗散率ε的输运方程为

        （4）

    湍动能和湍流耗散率生成项Gk和Gε的计算公式为

        （5）

    其中：υt为涡黏性系数．在用进行数值计算时，k－ε模型中经验常数的取值通常情况为Cμ＝0.09，c1＝1.44，c2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3。

    非牛顿幂率流体本构方程为

       （6）

    其中：τ为剪切应力（Pa）；K为稠度系数（N•sⁿ/m²）；γ为应变速度（s^-1）；n为流动指数。其中当0＜n＜1时为剪切细化流；当n＞1时为剪切稠化流。

    2 数值模拟边界条件设置

    通过三维建模软件solidworks建立V型调节球阀在不同开度下的流道模型（模型参数由某公司提供），将建立的流道实体模型导入fluent前处理软件Gambit中进行数值计算前处理，建立流道的一半作为实体计算模型。为了提高计算精度，划分网格时采用兼容性较强的非结构化四面体网格，划分后的网格数大约为26万。当阀芯开度为50℃时流道网格模型如图2所示，进口设置为压力入口，出口设置为压力出口。

图2 开度为50℃时流道网格模型

    3 数值求解

    设置进出口压差分别为0.2MPa、0.5MPa、1MPa、1.5MPa时，分别对牛顿流体（水）和非牛顿幂律流体（污水）剪切细化流和剪切稠化流通过调节阀不同开度下的流体流动进行数值模拟计算，对非牛顿流体进行数值模拟计算时，通过以下步骤调出隐藏的非牛顿流体计算模型：define＞models＞vis－cous＞turbulence－expert＞turb－non－newtonian＞Y，湍流模型采用标准k－ε模型。当压差为0.5MPa时压力分布云图分别如图3、图4、图5所示。

    从图3、图4、图5中可以看出，由于在节流处产生涡漩流动，从而引起流动速度变化，流体流动速度变化又引起该处压力变化，因此在调节阀阀芯和流道节流处压力变化*明显，对比入口处压力可以看出在节流处压力值有所减小，主要是因为在节流处流体流动速度突然增大从而引起压力突然减小，不同性质流体流经调节阀时压力变化比较明显部位都集中在节流处，在调节阀入口和出口端流体流动平稳，压力值没有明显变化。

图3 开度50℃压差为0.5MPa的剪切细化流压力云图

图4 开度50℃压差为0.5MPa的剪切稠化流压力云图

图5 开度50℃压差为0.5MPa时水的压力云图

    4 流阻分析

    阀门的流阻系数ξ取决于阀门产品的尺寸、结构以及内腔形状，其内部每一个元件都可以看作产生阻力的元件系统，当有流体通过阀门时，整个流动系统中的流阻系数还和流体本身的特性有关．流体在阀门中的流阻系数计算公式为

         （7）

    其中：Δp为阀门前后的压力损失（Pa）；ξ为阀门流阻系数；ρ为流体密度（kg/m³）；u为流体在管道内的平均流速（m/s）。

    通过数值模拟得到压差分别为0.2MPa、0.5MPa、1MPa、1.5MPa时，调节阀不同开度下的流阻系数值，见图6、表1、表2、表3。

表1 不同压差下水流阻系数ξ

表2 不同压差下污水（n＝0.1666）流阻系数ξ

表3 不同压差下污水（n＝1.666）流阻系数ξ

    从图6中我们可以看出，调节阀流阻系数随开度增大呈现出减小趋势，当调节阀为全开状态时流阻系数*小。阀门开度较小时，由于阀芯、阀座所造成的流通面积小，形成局部阻力，并且在节流处会形成涡旋流动，因此在开度较小时流阻系数值较大。

图6 压差为0.5MPa时不同开度下剪切细化流、

剪切稠化流和水流阻系数变化曲线

    对比表1、表2和表3的数据，可以看出对于不同流体，阀门流阻系数值不同，当具有牛顿流体性质水通过阀门时，流阻系数较非牛顿性质污水小。由于牛顿流体的剪切应力和应变速度呈线性关系，黏度随流体流动不发生变化；而非牛顿流体剪切应力随应变速度变化呈现非线性变化。黏度变化与剪切应力有关，受污水所含固体污物颗粒影响，流动过程中会产生较大黏性作用，黏度变化引起流阻改变。因此，具有非牛顿特性污水较牛顿流体特性水流阻系数值有明显不同。

    对比表2和表3可以看出，在非牛顿流体流动指数变化情况下，当开度较大时，由于流体流动所受剪切应力变化较小，因此稠化流流阻系数较细化流流阻系数值变化不明显；在小开度时，由于过流面积小引起剪切应力变化大，黏度变化比较明显，因此剪切稠化流流阻系数较剪切细化流变化明显，其流阻系数值较剪切细化流流阻系数值大。

    5 结论

    通过模拟分析不同开度和不同压差条件下不同性质流体通过V型调节球阀时的流动特性可以看出：

    （1）牛顿流体特性水通过V型调节球阀时流阻系数比非牛顿特性污水通过调节阀时的流阻系数小。对比剪切细化流和剪切稠化流可以看出在小开度时，稠化流通过调节阀时流阻系数较细化流大，在开度较大时，流阻系数随流动指数变化不明显；

    （2）通过数值模拟结果可以看出，当调节阀开度增大时，流体通过阀门时的流阻系数逐渐减小，在开度*大时流阻系数值*小；

    （3）在同一开度下，当压差变化时，不同性质流体通过调节阀时流阻系数值变化不明显。