基于CFD的球阀三维流场数值模拟

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3 D flow numerical simulation of ball valve based on CFDZhang Shengchang，Zhang Yulin，F帆 g Zhiming，Ke Yulong(School of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，Zhejiang 310014，China)Abstract：To explore the flow field law of the outlet bal valve of the new rotor oil-gas mixed pump，a3 D model of bal valve flow field was established.Using Fluent software，combining standard turbulentmodel and multiphase flow technology together，adopting SIMPLE algorithm，a 3 D gas-liquid double-phase flow field in outlet ball valve of new rotor oil-gas mixed pump was numerically simulated.Withgas fraction of 25% ，50% and 75% and valve S opening height at 3，5 and 7 mm respectively，velo-city field，pressure field and the distribution of liquid and gas was analyzed.The law of valve S ope-ning height and different gas-liquid ratio S effect on outlet bal valves in the process of gas-liquid mi-xing was discussed.The simulation results show that，the greater the opening height，the smaler thepressure difference between ball valves.The gap flow velocity decreases as the open height increases。

Gas mainly flows in the vicinity of the valve ball in the process of gas-liquid mixing.At the same ope-ning height，gas-liquid ratio has little efect on gap flow velocity.The experiment directly shows flowfield forms in the bal valve and.to a certain degree.reveals the law of gas-liquid flow in the bal1valve，providing a theoretical guidance for the design and optimization of new rotor oil-gas mixed pumpoutlet ball valve。

Key words：ball valve；gas·liquid double-phase；numerical simulation；gas-liquid ratio；opening height收稿日期：2012-07-02基金项目：浙江势研院所研究开发专项资金资助项 目(2005F12019)作者简介：张生昌(1956-)，男，江西新于人，教授级高级工程师(zsc666###zjut.edu.an)，主要从事泵阀研究。

张玉林(1987-)，男，重庆永川人 ，硕士研究生(zhangyulin 2011###163.coln)，主要从事流体机械研究 球阀具有结构简单、互换性强、装拆方便 、便于清洗等优点.为解决油 田油气混输难题，将球阀与传统外环流转子泵结合，即在传统外环流转子泵出口增设了 1组球阀，使其具有内压缩功能，能更好地适应气液两相工况.目前，对于球阀的研究基本上是针对容积式往复泵球阀，主要建立球阀运动规律的数学模型，研究球阀的开启特性等内容，且工况为纯液态工况 。 ；对球阀阀口气穴流厨行的数值模拟与试验研究也局限于液体介质 J.目前尚未见有关转子式油气混输泵球阀运动规律的研究报道.因此，对新型转子式油气混输泵出口球阀的研究就显得很有必要。

随着计算机技术和计算流体力学的发展，应用CFD方法对流厨行分析已经成为泵阀领域的研究热点 .因此，实现新型转子式油气昆输泵出口球阀三维流场的数值模拟，对于球阀的设计及优化具有重要意 义。

1 球阀结构及网格划分1.1 球阀结构图 1为转子式油气混输泵工作示意图.新型转子式油气混输泵在出口增设球阀以后，介质要通过球阀才能输送到出口管线中.当球阀关闭时，阀球与两转子及端板形成封闭容积 .由于转子不断旋转 ，封闭容积 不断减小，容积中压力不断升高，直到封闭容积内的压力达到开启压力时，阀球打开，介质被排出。

图 1 转子式油气混输泵工作示意图Fig.1 Sketch of rotor oil-gas mixed pump图2为出]球阀结构示意图.球阀由阀座和阀球组成，阀球开启后，介质由阀座孔人口流入，通过阀隙进入泵的排液腔.阀座孔直径 d0.065 m，阀座锥角 45。，锥角长度z0.005 Il，阀球半径R0.045 m。

1.2 建模与网格划分由于出口球阀尺寸相对整台泵非常小，在整台球阀隙阀鹰图2 出口球阀结构示意图Fig.2 Sketch of outlet bal valve泵计算过程中，难以得到阀隙处的详细流动情况。

因此，为了更全面地了解阀隙周围与阀内的压力和速度分布，选取阀座与阀球间隙及阀球两侧部分作为研究对象，进行建模与分析.此外，球阀几何形状简单且为轴对称图形，为了研究方便且减少计算量，采取三维轴对称模型，建立-半计算区域.利用Pro/E软件建立开启高度为3 mm时球阀的计算区域模型.将物理模型导人 Fluent前处理软件 Gambit中进行网格划分.为了划分质量较好的网格，对模型进行了分割并采用六面体/四面体混合单元，由于阀口的压力梯度变化较大，因此对阀口加密了网格，使模拟结果更准确.三维模型及网格如图3所示.同理可得到开启高度分别为5，7 mm时的模型和网格。

图3 开启高度为3 lnitl时的模型与 格Fig.3 Model and grid of opening height at 3 innl2 模拟计算2.1 边界条件介质为原油和天然气两相混合物，原油的物理参数设置为P .856 kg/m ，动力黏度 0.007 2Pa·S，并假设原油不可压缩；天然气在 Fluent自带的材料里选择。

1)速度入口.新型转子式油气混输泵的出几阀由3个球阀组成，已知泵的流量为 100 13 /h，假设通过每个球阀的流量相等且忽略泄漏，则由连续流条件可得通过每个阀座的速度为- - -3盯 /4-3×3.14 X0.065 X 3 600 ：2.8 nr/s。