城市污水是一種具有非牛頓特性的冪率流體，在其中含有大量的污物，包括大小尺度泥沙類和懸浮纖維類，流動特性較水有顯著差異。考慮到污水中包括的固相污物特殊性，并且為了分析和研究方便，將城市污水視為均質(zhì)流體，采用單相非牛頓流體模型進行分析研究，將固相污物的影響歸結到流體黏度的影響之中。由于V型調(diào)節(jié)球閥閥芯的V型切口（見圖1）和球閥密封面之間具有剪切作用，可以切斷纖維狀的流體，密封性能好，因此可用于城市污水流動特性研究。該型調(diào)節(jié)球閥還具有流體阻力小、流通能力大的特點。調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結構復雜，而且還在不斷的變化更新，隨著計算機技術和數(shù)值計算的發(fā)展，運用CFD技術對流體流動進行模擬仿真分析已經(jīng)成為一種普遍應用的工程分析手段，通過CFD通用軟件fluent對某一型號的V型調(diào)節(jié)球閥內(nèi)部流體介質(zhì)的流動特性進行模擬仿真，分析不同性質(zhì)流體在調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流阻情況。

圖1 V型調(diào)節(jié)球閥的閥芯結構

    1 流體計算模型

    在研究單相介質(zhì)流體流動特性時，運動規(guī)律遵循三個基本守恒定律，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律及能量守恒定律，該課題對流體進行數(shù)值模擬研究時采用適合工程問題的k－ε湍流模型，對流體研究的控制方程如下：

    連續(xù)性方程為

         （1）

    動量方程為

        （2）

    湍動能k的輸運方程為

        （3）

    湍流耗散率ε的輸運方程為

        （4）

    湍動能和湍流耗散率生成項Gk和Gε的計算公式為

        （5）

    其中：υt為渦黏性系數(shù)．在用進行數(shù)值計算時，k－ε模型中經(jīng)驗常數(shù)的取值通常情況為Cμ＝0.09，c1＝1.44，c2＝1.92，σk＝1.0，σε＝1.3。

    非牛頓冪率流體本構方程為

       （6）

    其中：τ為剪切應力（Pa）；K為稠度系數(shù)（N•sⁿ/m²）；γ為應變速度（s^-1）；n為流動指數(shù)。其中當0＜n＜1時為剪切細化流；當n＞1時為剪切稠化流。

    2 數(shù)值模擬邊界條件設置

    通過三維建模軟件solidworks建立V型調(diào)節(jié)球閥在不同開度下的流道模型（模型參數(shù)由某公司提供），將建立的流道實體模型導入fluent前處理軟件Gambit中進行數(shù)值計算前處理，建立流道的一半作為實體計算模型。為了提高計算精度，劃分網(wǎng)格時采用兼容性較強的非結構化四面體網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格數(shù)大約為26萬。當閥芯開度為50℃時流道網(wǎng)格模型如圖2所示，進口設置為壓力入口，出口設置為壓力出口。

圖2 開度為50℃時流道網(wǎng)格模型

    3 數(shù)值求解

    設置進出口壓差分別為0.2MPa、0.5MPa、1MPa、1.5MPa時，分別對牛頓流體（水）和非牛頓冪律流體（污水）剪切細化流和剪切稠化流通過調(diào)節(jié)閥不同開度下的流體流動進行數(shù)值模擬計算，對非牛頓流體進行數(shù)值模擬計算時，通過以下步驟調(diào)出隱藏的非牛頓流體計算模型：define＞models＞vis－cous＞turbulence－expert＞turb－non－newtonian＞Y，湍流模型采用標準k－ε模型。當壓差為0.5MPa時壓力分布云圖分別如圖3、圖4、圖5所示。

    從圖3、圖4、圖5中可以看出，由于在節(jié)流處產(chǎn)生渦漩流動，從而引起流動速度變化，流體流動速度變化又引起該處壓力變化，因此在調(diào)節(jié)閥閥芯和流道節(jié)流處壓力變化*明顯，對比入口處壓力可以看出在節(jié)流處壓力值有所減小，主要是因為在節(jié)流處流體流動速度突然增大從而引起壓力突然減小，不同性質(zhì)流體流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時壓力變化比較明顯部位都集中在節(jié)流處，在調(diào)節(jié)閥入口和出口端流體流動平穩(wěn)，壓力值沒有明顯變化。

圖3 開度50℃壓差為0.5MPa的剪切細化流壓力云圖

圖4 開度50℃壓差為0.5MPa的剪切稠化流壓力云圖

圖5 開度50℃壓差為0.5MPa時水的壓力云圖

    4 流阻分析

    閥門的流阻系數(shù)ξ取決于閥門產(chǎn)品的尺寸、結構以及內(nèi)腔形狀，其內(nèi)部每一個元件都可以看作產(chǎn)生阻力的元件系統(tǒng)，當有流體通過閥門時，整個流動系統(tǒng)中的流阻系數(shù)還和流體本身的特性有關．流體在閥門中的流阻系數(shù)計算公式為

         （7）

    其中：Δp為閥門前后的壓力損失（Pa）；ξ為閥門流阻系數(shù)；ρ為流體密度（kg/m³）；u為流體在管道內(nèi)的平均流速（m/s）。

    通過數(shù)值模擬得到壓差分別為0.2MPa、0.5MPa、1MPa、1.5MPa時，調(diào)節(jié)閥不同開度下的流阻系數(shù)值，見圖6、表1、表2、表3。

表1 不同壓差下水流阻系數(shù)ξ

表2 不同壓差下污水（n＝0.1666）流阻系數(shù)ξ

表3 不同壓差下污水（n＝1.666）流阻系數(shù)ξ

    從圖6中我們可以看出，調(diào)節(jié)閥流阻系數(shù)隨開度增大呈現(xiàn)出減小趨勢，當調(diào)節(jié)閥為全開狀態(tài)時流阻系數(shù)*小。閥門開度較小時，由于閥芯、閥座所造成的流通面積小，形成局部阻力，并且在節(jié)流處會形成渦旋流動，因此在開度較小時流阻系數(shù)值較大。

圖6 壓差為0.5MPa時不同開度下剪切細化流、

剪切稠化流和水流阻系數(shù)變化曲線

    對比表1、表2和表3的數(shù)據(jù)，可以看出對于不同流體，閥門流阻系數(shù)值不同，當具有牛頓流體性質(zhì)水通過閥門時，流阻系數(shù)較非牛頓性質(zhì)污水小。由于牛頓流體的剪切應力和應變速度呈線性關系，黏度隨流體流動不發(fā)生變化；而非牛頓流體剪切應力隨應變速度變化呈現(xiàn)非線性變化。黏度變化與剪切應力有關，受污水所含固體污物顆粒影響，流動過程中會產(chǎn)生較大黏性作用，黏度變化引起流阻改變。因此，具有非牛頓特性污水較牛頓流體特性水流阻系數(shù)值有明顯不同。

    對比表2和表3可以看出，在非牛頓流體流動指數(shù)變化情況下，當開度較大時，由于流體流動所受剪切應力變化較小，因此稠化流流阻系數(shù)較細化流流阻系數(shù)值變化不明顯；在小開度時，由于過流面積小引起剪切應力變化大，黏度變化比較明顯，因此剪切稠化流流阻系數(shù)較剪切細化流變化明顯，其流阻系數(shù)值較剪切細化流流阻系數(shù)值大。

    5 結論

    通過模擬分析不同開度和不同壓差條件下不同性質(zhì)流體通過V型調(diào)節(jié)球閥時的流動特性可以看出：

    （1）牛頓流體特性水通過V型調(diào)節(jié)球閥時流阻系數(shù)比非牛頓特性污水通過調(diào)節(jié)閥時的流阻系數(shù)小。對比剪切細化流和剪切稠化流可以看出在小開度時，稠化流通過調(diào)節(jié)閥時流阻系數(shù)較細化流大，在開度較大時，流阻系數(shù)隨流動指數(shù)變化不明顯；

    （2）通過數(shù)值模擬結果可以看出，當調(diào)節(jié)閥開度增大時，流體通過閥門時的流阻系數(shù)逐漸減小，在開度*大時流阻系數(shù)值*小；

    （3）在同一開度下，當壓差變化時，不同性質(zhì)流體通過調(diào)節(jié)閥時流阻系數(shù)值變化不明顯。