引言全焊接球阀是长输管线和城镇供暖中最关键的核心设备之一，具有开关相应速度快、流通阻力小、无外漏、可靠性较强、整体的刚性较高、可埋地、避免长期维护等特点，能够适应复杂而多变的环境要求。近年来，随着西气东输、南水北调、集中供暖等重大工程的建设，全焊接球阀的需求量增加[1]。随着流体力学的快速发展，各学者对球阀的有限元分析和流体特性分析的仿真模拟应用越来越广泛。许俊[2]等为了保证设计的准确性和安全性，对金属硬密封球阀进行有限元分析并优化其设计。冯涛[3]等采用有限元分析软件对大口径全焊接热力球阀在3种不同工况下的强度和刚度进行计算及Von Mises应力分布分析。分析结果显示，3种状态下VON Misee应力均未超过材料本身的屈服极限，最大变形量较小，表明全焊接球阀的设计和计算与有限元分析结果基本相符。Chern[4]等在仿真分析中采用具体数值模拟和实验并行的方法，发现全焊接球阀位于50%到全开的状态下，增加60°的V形角，体积流量曲线呈线性变化。张希恒[5]等利用Fluent软件对全焊接球阀（筒状）的内部流场进行三维数值模拟，研究全焊接球阀从全闭到全开过程中的流量特性，并与球阀的实际工作流量特性进行对比，模拟结果符合实际特性。李力[6]等运用Fluent软件对金属硬密封球阀的内部流场进行数值模拟分析，探究球阀从全开到全关过程中球阀内部的流程特性，发现流量系数随阀门转角的增大而减小，理论曲线和模拟曲线吻合。为了消除局部应力造成的阀门心梗及寿命降低、介质阻流等隐患，对管道用全焊接球阀进行模拟计算和分析，壳体再设计压力、水压试验和排挤工况下，壳体中腔与壳体颈部下端过度边缘处，出现局部超应力现象，因此在使用过程中出现损伤现象，可以利用倒角降低应力集中的现象，通过模拟计算流量系数，验证了流道设计的合理性[7]。部分学者对全焊接球阀开闭过程的流场进行分析，仅进行3个不同角度的流程分析，但球阀的应力集中以及流速极限，均在极限角度下产生。康鹏程[8]等建立全焊接球阀的三维模型，对不同开度角状态下的三维流体进行模拟仿真分析，分析全焊接球阀在开启和关闭过程中，不同角度的流场分布和变化规律。研究对全焊接球阀的更多角度进行流场分析，为相关研究提供参考。1三维球阀建模全焊接球阀模型结构如图1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.014.F001图1全焊接球阀模型结构为了增加模拟试验的准确性，根据《阀门流量系数和流阻系数试验方法》（GB/T 30832—2014），确定阀门安装位置和距离，阀前距离应不小于5倍管径，阀后距离应不小于10倍管径。由于球阀具有左右两端对称的特征，对球阀流道内的流场进行分析时采取阀前和阀后均按照10倍管径设计的方案，绘制流场仿真模型，对模型进行流场仿真分析，全焊接球阀流场分析模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.014.F002图2全焊接球阀流场分析模型2球阀数值模型2.1建立流体域模型为了研究球阀在开启和关闭过程中的流场分布和变化规律，全焊接球阀在关闭过程中角度分别选取15°、30°、45°、60°、70°。全焊接球阀不同角度模型如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.014.F003图3全焊接球阀不同角度模型2.2数值计算方法流体流动应遵循质量守恒定律（连续性方程）和动量守恒定律[9]。连续性方程为：∂ρ∂t+divρu=0 (1)动量守恒方程为：∂∂tρu+divρuu=divμ×grad u-∂p∂x+Su (2)∂∂tρv+divρvu=divμ×grad v-∂p∂y+Sv (3)∂∂tρw+divρwu=divμ×grad w-∂p∂z+Sw (4)式中：ρ——连续相流体密度，kg/m3；u、v、w——速度矢量在x、y、z方向上的分量；μ——动力黏度，Pa·s。湍流（紊流）是实际黏性流体运动的主要形式之一。湍流运动内部的结构非常复杂，但是反映流体运动规律的力学方程式仍适用。如果初、边条件未确定，细微差别的初、边条件也会引起最终的分析结果产生很大变化和误差。因此，应使用较为简化的模型进行研究和分析。湍流流体分析遵循湍流方程。Realizable k-ε是高雷诺数模型，一般Re大于40 000，RNG k-ε模型考虑低雷诺数的影响，两种模型在漩涡和旋转方面均表现出了可观的效果[10]。研究应用Realizable k-ε湍流模型进行模拟分析。∂∂tρk+∂∂xiρkui=∂∂xjμ+μtσk∂k∂xj+Gk+Gb-ρε-YM+Sk (5)∂∂tρε+∂∂xiρεui=∂∂xjμ+μtσε∂ε∂xj+ρC1Sε-ρC2ε2k+utε/ρ+C1εεkC3εGb+Sε (6)C1=max0.43ηη+5 (7)η=Skε (8)S=2SijSij式中：ρ——介质密度，kg/m3；μt——液体涡粘系数，Pa·s；k——湍流动能，m2/s2；ε——湍流耗散率，m2/s3；Gk——平均流速梯度产生的湍流动能；Gb——介质浮力产生的湍流动能；YM——可压湍流中脉动扩张的贡献；C2、C1ε——经验系数常量；σk、σε——湍流动能及其耗散率的普朗特数；Sk、Sε——自定义的原项；S——平均应变率张量模量。2.3边界条件流入端的边界条件设置速度为3 m/s，流出端的边界条件设置为环境压力101 325 Pa。设定流体介质为水。2.4网格划分采用全局网格划分，有利于计算过程的网格布局，共生成225 559个网格。3球阀开闭过程的流场分析结果3.1不同角度静压力分析不同角度下全焊接球阀的内部流场静压力如图4所示。球阀关闭过程中，最高压力出现在阀门的流入端，最小压力出现在阀门的流出端，随着阀门关闭，流出端的压力逐渐减小。图4不同角度下全焊接球阀的内部流场静压力10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.014.F4a110.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.014.F4a23.2不同角度流速分析不同角度下全焊接球阀内部的流场速度如图5所示。球阀关闭过程中，随着开度减小，球阀流入端的流速略低于流出端的流速，流道变化对球阀流场有很大影响。图5不同角度下全焊接球阀内部的流场速度10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.014.F5a110.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.014.F5a23.3不同角度球阀内部涡流迹线不同角度下全焊接球阀内部涡流迹线如图6所示。图6不同角度下全焊接球阀内部流场涡流迹线10.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.014.F6a110.3969/j.issn.1004-7948.2023.06.014.F6a24结语球阀关闭过程中，阀门内部流场的最大流速出现在球体的流出端，最大流速区域随着阀门开启角度的减小而发生变化，并逐渐向管道出口侧壁移动，对管道出口端管壁的冲击角度增加，反侧位置的低速区域变大，并产生涡流。球阀全开时，阀门流道的流场分布比较均匀，介质在流动过程中对阀门管道壁的冲击力相对较小。球阀关闭和打开的过程中，开度较小时，球阀的流出端会出现负压现象，随着阀门开度的增加，负压逐渐的减小；球阀全开的状态下，球阀的流出端不会出现负压，但是阀前阀后的压差相对较大，压力的冲击力较大。球阀关闭启过程中，瞬时流速比较大，随着阀门开度角的减小，流速也逐渐减小，流道内介质对球体的冲刷能力逐渐降低。球阀开关过程中，球阀的流道内部会出现一定的涡流现象，涡流使球阀门流道内部产生局部压降，出现真空气泡，在管道内部会出现气蚀现象。若球阀长期处于未全开状态，会增加介质对管道壁的冲刷，造成管壁损坏；流速很快时，出口端的气蚀会破坏球面的密封性，降低球阀的使用寿命，不建议球阀频繁开闭或长期在未全开全闭的状态下使用。