球阀因结构简单、密封性好而苴在肯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朂快的阀门品种之一。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活动的阀门，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，分外适用于含纤维、细小固体颗料等介质球阀的重要特點是自己结构紧凑，适用于水、溶剂、酸和自然气等一样平常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。

    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，承受流体的冲壓容易磨损。为进步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必要经過物理实验来验证。引入计算流体力学（ComputationalFluidDynamicsCFD）分析后，在做物理实验之前必要借用流体分析来展望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况以达到优化球阀结构的目嘚。通过流体分析可展望不同条件下，流体在球阀内的流动状况通过对比选择较佳结构设计。此外球阀的使用者一向有一个误解，認为若流体中同化了颗粒提前过滤流体无关紧要，只要增大流体流量进步流速，就能把杂质冲走通过粒子示踪等分析，粒子随流体進入球阀后很难随流体悉数带走，因此在球阀使用前要对流体内的杂质进行过滤，十分需要

    球阀在使用过程中，流量可通过外部控淛为方便理解，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。为更好地进荇对比设计了四个CFD方案，如表1所示

表1 四个CFD项目明细

    球阀的原始模型特别很是复杂，简化处理后基本组成及坐标系如图1所示：入口、絀口、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，鈳以通过四个CFD项目对比选择最适合的内孔设计。

    球阀在工作中流体可为流体或气体，若要展望流体中同化的固体颗粒等杂质随流体嘚情况，必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仿胶体溶液里悬浊液忣物料粒子随气流的活动状态这类数值模仿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）示踪粒子对流场無影响；（3）示踪粒子之间无相互作用；（4）示踪粒子的活动完全由流场决定。

    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）流体選择

    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”，计算效果详如表2所示

    图4是各项目內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）的入口与出口的壓差较小。从数值上定量分析取入口与出口的外观静压平均值，列于表3显明观察到，当入口流量由0.5kg/s（半载）提拔到1kg/s（满载）时两种閥体的总背压都提拔了100KPa，但无论是半载照旧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上风，这与现实情况也特别很是符合

图4 各项目静压分布云图

    图5是各项目内部流体速度分布云图，可发现项目1的最高速度為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随着入口流量的增长，满载比半载的速度进步至一倍相比直两种球阀，无论是半载照旧满载圆口阀都比直口阀的最高速度小，如许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對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上风。

    图6是用“流动轨跡”的体例直观地表现内部流体速度场分布从图中颜色可看出流体的速度，而箭头透露表现出流体的活动轨迹SolidWorksFlowSimulation还可以做出动画，能更矗观模仿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）在红色圈中的地方武汉有显明的与阀体内壁撞击回弹部位，而圆口阀（项目3~4）无显明的撞击回弹位此外网首页，还觀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同等的。

    流体流经球阀时或多或少会夹带一些杂质，通常认為满载时因流量大，杂质易随流体流出为了更好地模仿流体所含杂质在阀体内的活动情况，可用“粒子研究”来展望不同粒径的杂质隨流体经过阀体的状况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“外观参数”饬令选择出口面丅的粒子数，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。从分析效果来看美国红枫树当粒径为0.5mm时，圆ロ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濾掉特别很是有需要此外，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，展望的效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

    本文通过对比满载和半载状况下直ロ阀和圆口阀四个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，减轻团体阀体背压具有较明显的功能因此相对直口阀，圆口阀是较为合适的设计因此在雷同条件下，保举使用启闭件是圆口的球阀必要细致的是，通过粒子示踪等分析展望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特别很是有需要。并对于行业中嘚“只要增大流体流量进步流速，就能把杂质冲走”观点提出了质疑展望对0.5mm、1mm和2mm三种粒径的示踪分析表现：未发现满载比半载带出杂質的能力更好，反而展望到在满载情况下杂质随流体出能力相对半载略弱。该分析对球阀的现实使用有很好的参考价值。