摘 要：应用SolidWorksFlowSimulation软件对直口型、圆口型进料球阀的6个流体项目（0.5、0.75、1.00kg/s直口型，0.5、0.75、1.00kg/s圆口型）进行了CFD（计算流体力学）分析。研究结果表明：通过流体动力学仿真计算，获得了不同状态下的流场压力云图及速率云图；通过流线轨迹可直接观察到阀体内流体的运动状态。

关键字：胶粘剂 球阀 计算流体力学 结构优化

0 前言

胶粘剂在制备过程中需经过球阀进料。球阀结构简单、密封性好，并且在一定的公称通径范围内具有体积小、质量轻、材料耗用少和安装尺寸小等优点，而且其驱动力矩小、操作简便且易实现快速启闭，因而在胶粘剂制备过程中得到广泛应用。

球阀的工作原理是：启闭件（球体）由阀杆带动，而绕球阀以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型球阀的V型球芯与堆焊硬质合金的金属阀座之间具有较强的剪切力，特别适用于含纤维、微小固体颗粒等体系。

球阀的主要特点是本身结构紧凑，不仅适用于水、溶剂、酸和天然气等一般工作介质，而且还适用于导致工作条件恶劣的特殊介质（如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等），故球阀在各行各业中都得到了广泛的应用。

1 试验部分

1.1 分析软件

专业的CFD（计算流体力学）分析软件（即SolidWorksFlowSimulation软件），达索系统旗下的SolidWorks公司。

1.2 项目设计

球阀在使用过程中通过启闭件的旋转来控制流体的流量。启闭件长期与流体接触，承受流体的冲压，故其容易磨损。提高球阀的使用寿命有选用耐磨性好的材料、优化球阀内部结构等两种方法，而结构设计是否合理需经过物理试验来验证。本课题组曾以水为介质，分析了不同流量时直口阀和圆口阀的进料情况，而引入CFD软件后，在物理试验之前可借用流体分析来预测启闭件在使用过程中与流体间的相互作用，以优化内部结构。为更好验证球阀在使用过程中的流量、启闭件阀口状与流体之间的关系，本研究设计了6个CFD项目，运用FlowSimulation软件对其阀体进行分析；对比了不同阀口结构及流量时各结构内部的流体、流进球阀内部的流体之流动状态，可进一步达到优化球阀结构的目的。陈龙等]曾通过对比分散盘和乳化头周围的流体运动效果，得到了效果相对最佳的结构，并运用FlowSimulation分析了直口型、圆口型启闭件的球阀内部流体（流体为水时）的流动状态。

目前，球体启闭件大致有直口型、圆口型两种结构，而球阀在使用过程中流量可通过外部控制。为更好地进行对比试验，本研究设计了6个CFD项目，如表1所示。

表1 6个CFD项目明细

1.3 模型简化及参数解释

1.3.1 简化模型创建

球阀的原始模型相对复杂，其简化结构如图1所示。由图1可知：流体从左侧入口进入启闭件内部空间，再从右半壳的出口流出；球体启闭件与手柄连接，通过旋转手柄可控制球体启闭件内流体的流通；球体启闭件内孔有直口、圆口两种结构，假设流体满载流量为1.00kg/s，分别以不同的入口流量和两种启闭件为试验对象，设计6个CFD项目（见表1），以选择相对最优的内孔设计。

图1 球阀的简化结构

1.3.2 参数解释

制备胶粘剂时采用球阀进料，故物料需进行粒子示踪分析。在FlowSimulation中，假设粒子相对整个气体流量较小，对气体流动的影响甚微，故可用粒子示踪法来模拟胶体溶液中悬浊液及物料粒子随气流的运动状况。虽然假设与真实情况有所差别，但对阀体相对最佳结构的选择并没有影响。这类数值模拟分析是基于以下假设的：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所决定。

1.4 前处理

1.4.1 边界条件等设置

胶粘剂均为高黏度流体，为简化计算，将流体定义为高黏度的非牛顿流体（相对最大黏度为22560Pa·s），故体系中仅存在层流；其他设置则为默认设置。边界条件设置：各项目的入口流体流量见表1，出口设为环境压力。

1.4.2 网格划分设置

设球阀内部相对最小缝隙尺寸为0.2mm，并选择“优化薄壁面求解”及“优化薄壁面解析”，如表2所示。

表2 球阀内部的网络划分

1.5 CFD后处理求解和表征

FlowSimulation软件可同时进行4个CFD项目的批处理计算，以节约大量时间，如图2所示。

图2 CFD的批处理运行计算

求解收敛后，可采用背压、速率分布云图、流线轨迹、粒子示踪及粒子统计等后处理方法，来模拟不同进料球阀内胶体中的悬浊液及物料粒子随气流的运动状况。

2 结果与讨论

2.1 各项目的背压分析

图3为各项目内部流体的静压分布云图，表3列出了各项目的压力明细。由图3、表3可知：对直口型球阀的3个项目而言，背压（入口和出口之间的压力差）随流量的增加而降低；对圆口型球阀的3个项目而言，背压随流量的增加呈先升后降态势。因此，无论是选择直口阀还是圆口阀进料，流量为满载（1.00kg/s）时背压最小，同时圆口阀比直口阀的背压降低了1.8MPa左右；然而，若不是满载情况，则直口阀无论是0.50kg/s或0.75kg/s时的背压均低于圆口阀。胶粘剂生产厂商可根据进料量的实际情况来选择不同启闭件的球阀。

图3 各项目内部流体的静压分布云图

表3 各项目的压力明细

2.2 各项目的速率分布云图

图4是各项目流体速率分布云图（凡是流速≥8m/s，都以红色显示），表4列出了各项目的局部最大速率。

由图4、表4可知：随着流量的增加，高速区范围也越来越大，但局部最大速率并不一定越大；当流量为0.50kg/s时，直口阀高速区范围较大，并且其局部最大速率为65m/s，而圆口阀的高速区较小，局部最大流速仅为8m/s；当流量为0.75kg/s时，直口阀靠入口处和出口处的高速区范围相当，且局部最大速率为13m/s，而圆口阀靠入口处的高速区范围大于出口处，且局部最大速率为64m/s；当流量为1.00kg/s时，两种阀体的高速区范围相当，直口阀、圆口阀的局部最大速率分别为15、32m/s。因流体速率间接反映了阀体内壁受流体的冲击情况，故制备胶粘剂时可根据不同的进料量来选择不同启闭件的球阀。研究表明：流量越大，高速区范围也就越大；从高速区和局部最大流速来判断，当流量为0.50kg/s时，为减少流体对球阀内壁及启闭件的冲击，应选择圆口阀；当流量为0.75kg/s和1.00kg/s时，选择直口阀不仅能降低流体的局部最大速率，而且还能缩小调整区的范围（见图4中1-2和2-2红色区域的分布范围）。

图4 各项目流体的速率云图

表4 各项目的局部最大速率

2.3 各项目的流线轨迹

图5为“流线轨迹”显示的内部流体速率场分布（颜色表示速率大小，箭头表示运动方向）。如需动态显示，可任意在入口处增加多条轨迹线（代表流体轨迹），以观察从入口进入阀体内部后流体的走向。由图5可知：当流量为0.50kg/s时，直口阀靠出口侧有红色漩涡，而圆口阀靠入口处有高速漩涡（红色圈中的地方）；当流量为0.75kg/s时，直口阀没有明显漩涡，而圆口阀靠入口和出口处都有明显漩涡；当流量为1.00kg/s时，直口阀无漩涡，仅在出口处有局部滞留粒子（偏蓝色表明为低速率），而圆口阀靠入口处有高速漩涡。与圆口阀相比，直口阀的流体流畅度较好。

图5 各项目的流线轨迹图

2.4 各项目的粒子示踪及粒子统计

假设胶粘剂原料中有100颗粒径为1mm的物料进入球阀，那么多少物料能顺利流出呢？可用CFD粒子示踪来预测不同粒径的物料随流体经过阀体的状态，6个项目的粒子示踪如图6所示，表5列出了各项目的粒子统计。设定进入粒子数为100个，但软件会随机按网格节点数量生成100个左右的粒子，即有可能是98个或102个。在本研究中，除项目2-3随机生成了101个粒子外，其他项目都生成了102个粒子。

由图6、表5可知：对比6个项目，可明显观察到项目2-2的滞留粒子相对最多、流出粒子相对最少；直口阀防止物料滞留的能力大于圆口阀，但有关研究者通常会认为圆口阀应更易于出料。

图6 各项目的粒子示踪图

表5 各项目的粒子统计

3 结语

（1）直口球阀的背压随流量增加而降低，而圆口球阀的背压呈先升后降态势；当流量为1.00kg/s时，无论选择直口阀还是圆口阀进料，背压均相对最小，同时圆口阀的背压比直口阀降低了约1.8MPa。因此，当流量小（仅限于所分析的6个项目）时宜选择直口阀，当流量大至1.00kg/s时宜选择圆口阀。

（2）流体速率间接反映了阀体内壁受流体的冲击情况。流量越大，高速区范围也就越大。当流量为0.50kg/s时，为减少流体对球阀内壁及启闭件的冲击，应选择圆口阀；当流量为0.75、1.00kg/s时，选择直口阀不仅能降低局部最大速率，而且还能缩小调整区的范围。

（3）当流量为0.50kg/s时，直口阀靠出口侧有高速漩涡，而圆口阀靠入口处有高速漩涡；当流量为0.75kg/s时，直口阀没有明显漩涡，而圆口阀靠入口和出口处都有明显漩涡；当流量为1.00kg/s时，直口阀无漩涡，仅在靠出口处有低速漩涡，应该是局部滞留粒子，而圆口阀靠入口处有高速漩涡。与圆口阀相比，直口阀的流体流畅度较好。

（4）粒子示踪分析表明：直口阀防止物料滞留的能力大于圆口阀，而研究者通常会认为圆口阀应更易于出料。

综上所述，球阀的选择应视物料流量、启闭件大小及胶粘剂制备过程中的真实情况而定。