水压球阀在不同阀口形式下的流体作用力分析

水压球阀在不同阀口形式下的流体作用力分析

1金慧 2杨勇 3杨雄飞

1.3良工阀门集团有限公司 浙江温州 325000

2浙江永联阀门集团有限公司 浙江温州 325000

摘要：本文将围绕水压球阀在不同阀口形式下的流体作用力进行分析讨论，通过构建仿真模块、设置几何模型，求解不同阀口开度、不同压差情况下流体作用力的数值，并进行参数比对，以此验证网格无关性，明确水压球阀结构优化的开展方向。

关键词：水压球阀；流体作用力；阀口

引言：流体作用力是指液流在流过阀口时因方向转变和流速变化产生的液动力以及阀芯所受静压力的总称，能够切实影响球阀的动态特性，为了确保流体作用力的变化状况能被完全掌握，设计人员可利用COMSOL仿真软件构建水压球阀内部的流场模型，进而更直观的完成射流形状、位置、区域大小、速度、压力分布等特性的研究。

一、构建仿真模型

（一）整体结构

水压直驱球阀需要根据输入的位移信号完成流量控制，当阀门不受外界作用力时阀芯可通过弹簧定位贴靠在阀座上，保证整体结构的稳定性。而阀的相关设计值需要满足不同情况下的实际需求，确保数据的合理性，比如：阀的最大流量应为20L/min，最大压力值不得超过4MPA，阀芯的位移需保持在330μm左右，同时阀内的三维流场要保证装置的全面性和有效连接，其工作流程为：流体从阀体中流出通过阀套组件流入阀腔，之后传送到静压力平衡腔，使左推杆和转换器相连，右推杆与球芯轴向移动，确保阀出口流量与阀芯位移变化保持线性关系^[1]。

（二）划分网格

由于阀内三维流程的形状组合较为复杂，导致相关仿真研究所涉及到的计算内容相对较多，而且阀芯与推杆均属于回转式结构，在静压力平衡腔内液体几乎可以保持不流动的状态，并在阀套上沿径孔均匀分布，因此为了确保计算方式得到简化，保证流体的有效流动。需要将三维流场设计为二维对称结构。同时要利用COMSOL软件完成网格划分，实现阀口处的网格细化，降低计算难度与任务量，使得到的模块单元尺寸维持在0.00131MM，网格数量为184723个^[2]。

（三）定义仿真参数

一，流体参数，属于单向流的不可压缩流体，在温度为20度的条件下，密度为1000KG·M^-3。二，边界条件，即为压力入口和压力出口，其中出口的压力值恒定在0.5MPA。三，仿真类型，是指用来分析不同阀口开度下的流体作用力。

（四）计算流体作用力

流体作用力的计算公式为：

Fspool=∫A-spoolpdA+∫A－rodτroddA

其中P为阀芯所受的压力，τrod为阀芯组件的剪切应力，A-spool为阀芯断面面积，A－rod为阀芯侧面积。在实际计算时要使用COMSOL软件中的线积分功能，计算压力对端面的积分与剪切应力对侧面的积分，将两个矢量进行相加即为流体作用力的数值。

（五）确立控制方程

控制方程需要使用STANDDARD模型进行确立，其中湍能K的方程计算为：

a/at(pk)+a/axi(pkui)=a/axi(u +μτ/σk）×ak/axj+Gk Gb－pε－YM+Sk

其中GK表示平均速度产生的湍流动能，Gb为液体浮力产生的湍流动能，YM表示可压缩湍流产生的波动扩张。而湍流粘度U的计算方法为：

μτ= pCμk2/ε

上述各方程式的常数默认值分别为：σk=1.0，σe=1.3，将控制方程、计量数据、仿真参数等数值代入流体作用力计算公式中，即可推算出流体作用力的仿真结果。

二、仿真结果

（一）流体作用力

经过上述计算可知，仿真结果的压力积分始终保持为正值，黏性应力积分则呈现负值，当阀座无倒角时，流体作用力在阀芯的位移值会小于90μm，证明黏性应力积分高于压力积分，当位移值为30μm且进出口的压差为3.5MPA时，流体作用力达到负向的最大值为-0.214N，若阀芯位移超过90μm，压差值同样为3.5MPA，流体作用力处在正向，最大值为2.41N。当阀座有倒角时，流体作用力始终保持在正向，在位移值为330μm的条件下，流体作用力的最大值可达23.3N。

（二）流量

当阀座有倒角时，压差与流量呈正比关系，在阀芯位移值为330μm、压差为3.5MPA的条件下，流体最大流量可达16.21L/MIN，若阀座不存在倒角，在相同条件下，最大流量值为21.25L/MIN，两种情况的曲线形式基本一致。

（三）网格无关性

由于模型构造过程中采用的COMSOL软件是以有限元方法作为计算原理，其网格数量势必会对运算结果产生影响，因此在分析仿真结果时需要验证网格的无关性，以此确保计量的准确性。比如在阀座有倒角、阀芯位移为30μm时，流体作用力在19万网格作用下和50万网格作用下的数值变化趋势保持一致，而流量的计算结果同样不受网格数量的影响，实际误差均可保持在3%以内，由此说明网格数量多少不会干扰流体作用力和流量的计算精确度。

（四）总结分析

通过上述仿真模型分析与结果研究可知，阀座无倒角且阀芯位移不高于90μm时，阀芯所承受的流体作用力足以使阀门保持开启状态，降低阀芯的运动稳定性，并且随着位移量逐渐提高，流体作用力的变化幅度会越来越小，当阀芯位移值高于90μm时，流体作用力会直接关闭阀口且数值呈大幅度提高的趋势变化，最高正向值可达2.41N，但数值相对较小，证明此时阀芯运动过程中所遭受的阻尼偏低，不会对水压球阀的结构造成实际影响。当阀座有倒角时，流体作用力会在阀芯运动过程中使阀门处于闭合状态，能够提升阀芯的运动效率，并随着位移值的逐渐上升，流体作用力的波动幅度会越来越高，在出口压差、阀芯位移量、进口压差等数据保持恒定不变的条件下，其数值明显高于无倒角时的流体作用力，正向值可达23.3N。表明此时阀芯运动的阻力较高，无法保证流体的有效流动。

结论：综上所述，通过明确整体结构、划分网格、定义仿真参数、计算流体作用力、确立控制方程等方法构建仿真模型，阐述流体作用力、流量、网格无关性等仿真结果，从而帮助相关研究机构掌握不同阀口形式下流体作用力的变化趋势，从而优化水压球阀的结构设计，降低液动力，延长装置的使用寿命。

参考文献：

[1]洪昊岑,赵春晓,杨华勇.基于计算流体仿真的双作用叶片泵气蚀机理分析[J].吉林大学学报(工学版),2021,51(03):831-839.

[2]王凯,南翠红,卢金玲.流体动力学过程在流动腐蚀行为中的作用机制[J].化工进展,2020,39(S2):8-18.