应用CFD技术优化进料球阀

0  引言
电池浆料在制备过程中，需要经过球阀进料。球阀因结构简单、密封性好，而且在一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，并且驱动力矩小，操作简便、易实现快速启闭，在电池浆料制备中广泛应用，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，特别适用于含纤维、微小固体颗料等介质。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，而且还适用于工作条件恶劣的介质，如氧气、过氧化氢、甲烷和乙烯等，因此在各行业都有广泛应用[1-5]。
1  项目描述
如今校企合作在西部民族地区工业城市柳州已十分普遍，职业教育专业链与产业链对接也开展得比较成功，本文是产学研合作的产物。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，承受流体的冲压，容易磨损。为提高球阀的使用寿命，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，需要经过物理实验来验证。笔者曾以水为介质，分析过不同质量流量下，直口阀和圆口阀的进料情况，但引入计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析后，在做物理实验之前，需要借用流体分析来预测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6个CFD方案，运用Flow Simulation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态，以达到优化球阀结构的目的 [1,4-7]。柳州市豪杰特化工机械有限责任公司等[1]曾通过对比了分散盘和乳化头周围的流体运动效果，得出了效果最佳的结构；柳州方鑫汽车装饰件有限公司的陈龙等运用Flow Simulation分析了当流体是水时直口型启闭件和圆口型启闭件球阀内流体的流动状态。

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。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，本文设计了六个CFD方案，如表1所示。

Tab.1 Analysis scheme of CFD

2  模型简化及参数解释
2.1简化模型创建
球阀的原始模型非常复杂，简化处理后，基本组成及坐标系如图1所示：入口、出口、左半壳、右半壳、手柄、球体启闭件。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，通过旋转手柄控制球体启闭件内流体的流通。球体启闭件内孔有直口和圆口两种过渡，假设满载为1kg/s，分别以0.5kg/s、0.75kg/s、1kg/s及两种启闭件，设计六个CFD项目对比（如表1），可选择合适的内孔设计[1-5,7-11]。

图1 球阀简化结构
Fig.1 Simplified structure

表2  计算情况
Tab.2  Calculation condition

4  求解
可同时进行四个CFD项目的批处理计算，可节约大量时间，如图2所示。

5  结果分析
5.1背压分析
从图3各项目内部流体静压分布云图中的颜色可观察到，直口型球阀的三个项目，背压随质量流量的增加而降低，而圆口型球阀的三个项目，是先增加再降低。因此，无论是选择直口阀还是圆口阀进料，质量流量为满载（1kg/s）时，背压最小，同时，圆口阀比直口阀的背压降低了1782705.44pa（约为1.8Mpa）。但若不是满载情况，则直口阀无论是0.5kg/s或0.75kg/s时的背压都要比圆口阀的低。电池浆料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。

5.2 速度分布云图
图4是各项目流体速度分布云图（凡是流速大于等于8m/s，都以红色显示），可观察到：随着流量增加，高速区范围也越大，但探测出局部最大速度并不一定越大，如表4所示。当质量流量为0.5kg/s时，直口阀高速区范围大，且局部最大速度为65m/s，而圆口阀的高速区小，局部最大流速仅为8m/s；0.75kg/s时，直口阀靠进口及出口两方的高速区范围相当，且局部最大速度为13m/s，而圆口阀在靠入口处的高速区比靠出口处范围大，且局部最大速度高对64m/s；1kg/s时，两种阀体的高速区范围相当，其中直口阀的局部最大速度为15m/s，圆口阀的为32m/s。因流体速度间接反映了阀体内壁受流体的冲击，电池浆料制备时可根据不同的进料量选择不同启闭件的球阀，以有效的实际情况来选择。经分析可确定，随流量增加，高速区范围也越大。从高速区和局部最大流速来看判断，当流量为0.5kg/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，而当流量为0.75kg/s和1kg/s时，选择直口阀不仅能降低最大速度，还能减少调整区的范围，这一点从图（a2）与（b2）的对比也能看出红色区域的分布与范围。

Tab.4  Local max velocity

5.3 流线轨迹
从图5的“流线轨迹”可直观显示内部流体速度场分布，其中颜色是速率大小，而箭头表示运动方向。为更动态显示，可任意在入口多条轨迹线（代表流体轨迹），以观察从入口进入阀体内部后流体的走向。可明显观察到：0.5kg/s时，直口阀靠出口侧有红色的漩涡，而圆口阀靠入口处有高速漩涡（红色圈中的地方）；0.75kg/s时，直口阀无有明显漩涡，而圆口阀靠入口和出口处都有明显漩涡；1kg/s时，直口阀无漩涡，仅在靠出口处有一些局部滞留部位（从颜色上显示偏蓝色，表明为低速度），而圆口阀靠入口处有一高速漩涡。

5.4 粒子示踪及粒子统计
假设电池浆料原料中有100颗粒径为1mm物料进入球阀后，那么多少物料能顺利流出呢？可用CFD粒子示踪来观察。“粒子研究”可预测不同粒径的物料随流体经过阀体的状态，从图6的粒子示踪图，左列是项目1.1-1.3，右列是项目2.1-2.3。注意：设置时，为进入粒子数为100个，但软件会随机按网格节点数量生成100左右个粒子，即有可能是98也可能是102，在本计算中，除项目2.3随机生成了101粒子外，其他项目都生成了102个粒子。对比6个项目，可明显观察到项目2.2被滞留的粒子最多，流出的粒子最少，这一点在表4中也得到了证实。

表4 粒子统计
Tab.4  Partical statistics

6  结论
本文通过对比（1）0.5kg/s+直口型；（2）0.75kg/s+直口型；（3）1kg/s+直口型；（4）0.5kg/s +圆口型；（5）0.75kg/s +圆口型；（6）1kg/s +圆口型6个CFD项目，得出以下结论：
（1）通常设计师都会认为，无论是何种球阀，背压都会因质量流量的增加而增加。但分析显示：直口球阀的背压随质量流量的增加而降低，而圆口球阀的背压先增加再降低，且当质量流量为1kg/s时，无论选择直口阀还是圆口阀进料，背压都最小，同时，圆口阀比直口阀的背压降低了1782705.44pa（约为1.8Mpa）。因此，当质量流量小（仅限于所分析的这6个项目），选择直口阀背压小，当质量流量大至1kg/s时，选择圆口阀背压小。
（2）流体速度间接反映了阀体内壁受流体的冲击。经分析可确定，随流量增加，高速区范围也越大。当流量为0.5kg/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，而当流量为0.75kg/s和1kg/s时，选择直口阀不仅能降低最大速度，还能减少调整区的范围。
（3）通过流线分析观察到：0.5kg/s时，直口阀靠出口侧有红色的高速漩涡，而圆口阀靠入口处有高速漩涡（红色圈中的地方）；0.75kg/s时，直口阀无有明显漩涡，而圆口阀靠入口和出口处都有明显漩涡；1kg/s时，直口阀无漩涡，仅在靠出口处有个低速漩涡，应该是局部滞留部位（从颜色上显示偏蓝色，表明为低速度），而圆口阀靠入口处有一高速漩涡。
（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，这分析结果与设计师假设相违背，因为通常设计师都会认为圆口阀应更易于出料。
综上所述，球阀的选择，需要根据物料流量、启闭件大小无论结合电池浆料制备过程中的真实情况。电池浆料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，
参考文献
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作者简介：吴国勇（1967-），男，壮族，广西柳州人，高级工程师，主要从事高分子材料和可再生资源高值化处理技术研究。
通讯作者：陈璟（1984—），女，广西柳州人，硕士，讲师，主要从事流体分析CFD、结构优化设计等研究，E-mail：chenjing_cfd@foxmail.com；
邱伟华（1976—），男，广西柳州人，硕士，汉族，工程师，主要从事模具设计与制造研究，1936307477@qq.com
[基金项目]  2015年教育部人文社会科学研究青年基金项目（15YJC880058），2015年广西科学研究与技术开发计划项目（桂科能15122001-2-8），2015广西职业教育教学改革（桂教职成[2015]22号），2015年柳州市科学研究与技术开发计划课题（2015c010303）及广西教改项目“基于区域性汽车技术加强专业建设的研究与实践”编号[2014JGZ183]的阶段性研究成果。
（吴国勇1,4  邓宁2  陈璟 3  邱伟华3  邓昌建5,6）
（1广西科技师范学院 化学与生命科学系， 广西 来宾  546100；  2柳州城市职业学院  机电与汽车工程系， 广西 柳州  545036；  3柳州职业技术学院 机电工程系， 广西  柳州  545005；  4柳州蓓蒂芬科技有限公司  技术中心， 广西 柳州  545000；  5柳州市豪杰特化工机械有限责任公司 技术中心， 广西 柳州  545005；  6广西新维力科技有限公司 技术中心，广西 桂林 541004）