调节阀是管道工程中的一个重要部件，由于
阀门的内部结构复杂，当流体通过阀门时产生诸如漩涡、空化等现象，危害了管道的运行工况，并成为影响管道局部水头损失的主要因素。随着时代的进步，在阀门设计中，在注重结构形态的同时也越来越多地考虑水力因素，这就需要更深入地研究不同类型与结构阀门内部流场的特殊性与差异性。
球阀是由带孔的旋球来
控制阀门启闭的，它的结构与
旋塞阀相似，主要由阀体、阀盖、球体以及阀杆等构成。传统的球阀在使用的过程中，常常因为球冠与阀座的配合误差而导致咬伤、卡塞或划伤等问题，一方面降低了球阀的使用寿命，另一方面也存在着极大的安全隐患。
偏心球阀是在传统球阀基础上不断改进的成果，它通过将金属球冠固定在偏心曲轴上，通过偏心曲轴90°的旋转从而实现阀门的启闭。与金属球冠密封面接触的金属阀座在轴向和径向浮动，以补偿球冠与阀座的配合误差，如图1，一方面可以极大地缩短阀门的启闭时间，使得偏心球阀的启闭时间缩短到0.2s；另一方面即使阀门的密封面被磨损，但因阀座轴向与径向的弹性浮动，可以补偿这些磨损尺寸，同时具有良好的切削作用，在关闭过程中能够切断杂物。
笔者对偏心球阀的内部流场结构及宏观外部特性进行数值模拟与实验研究，以揭示出两者的联系，并通过实验分析对数值模拟的方法进行验证研究。
一、数值模拟过程控制方程组
阀门进、出水管道中的实际流动是湍流。在定常条件下，采用k-ε湍流模型时，描述偏心球阀进出水管道内的定常不可压缩流动的方程如下
流场出口：只考虑在流道内的流动，而且在流道出口处水流一般是充分发展的湍流，一般认为，此时下游边界的流动状态影响不到上游方向的流场。因此，在流场出口的边界条件仅为，沿垂直于该断面方向的压力梯度为零。此外，还有：
二、偏心球阀计算区域及计算模型
取阀体以及阀体前后两段管道为计算区域，该阀管径为1224mm，取阀前5×D管道及阀后10×D管道为计算区域，即约阀前8000mm及阀后12000mm，以保证进出口面流动稳定均匀。其偏心结构见图1。
球阀的计算模型：①由于本研究计算需考虑阀门出水管处回流影响，在模型建立时将出水管延长了12m。阀体的结构较复杂且不规则，特别是球冠与曲轴部分，无法生成结构化网格，故在阀体部分采用了适应性很强的非结构化网格，同时进行加密，保证计算精度；对管道部分采用结构网格划分，如图2所示。其中，以Z轴正方向为流动方向，以Y-Z截面的逆时针方向为阀门关闭方向。②本研究求解过程运用了结构与非结构网格相结合的有限体积法，同时采用基于各向同性涡粘性理论的k-ε双方程模式及封闭N-S方程组求解。③进口处边界条件为速度进口，取进口均匀分布速度v=2m/s，出口处为自由边界条件。
三、数值模拟计算结果及分析
在相对开度为0.85的情况下，由于偏心球阀球冠的钝体绕流作用，Y-Z截面主流道边缘开始出现压降，靠近偏心球体的位置呈现出较明显的两个高速低压区，但整体流道并没有出现漩涡，对流场的顺畅影响不大，球体内部压力均匀。同时X-Y，X-Z截面上均未出现明显的扰动现象。
随着阀门开度的逐渐减小，在相对开度约为0.75时，球阀阀体内出现了明显的压力梯度；同时Y-Z，X-Z截面上的漩涡运动开始同时加强，表现出了很强的一致性，在高速主流道的两侧形成了数个小漩涡，但此时的波动还没有影响到高速主流道，在X-Y截面上的流动仍然比较顺畅，如图3所示。
相对开度约0.5时，偏心球阀内部Z方向的高速区断裂，分别在两个球冠的后方形成了独立的高速区，球阀主流道具有非常明显的速度梯度；Y-Z截面阀体后端的回流区已经显现，由于球阀偏心的作用，上球冠下方存在局部高压滞水区，阀体内部产生多个紊乱的漩涡，且随着开度的逐渐变小而增大，具有了影响主流道的趋势。与此同时，偏心球阀的宏观外部性能出现较大改变，包括固有
流量特性等阀性能曲线出现拐点，表明球体内部高速区的断裂与其外特性具有非常密切的联系。
在X-Z截面上，从球体下方经过的流体很大一部分折向上流，在遇到球体壁面的阻挡后形成两个强度大小基本相等、方向相反的对称漩涡，偏心阀体内部的流动区域被这两个漩涡所控制。由于阀体中心偏离了流道中心，在X-Z截面上的扰动更加剧烈，特别是在球冠后端出现了不规则的漩涡；在阀门出口处出现了一个范围很大的回流区，与Y-Z截面的回流区一同控制了球阀出水管的流场。而阀体内的过流断面X-Y截面流动相对稳定，在主流道区域并未形成较大涡区，如图4所示。
随着开度的减小，流场内部的涡流运动进一步加强，在球冠附近的压力梯度非常明显；Y-Z截面高速区完全分离，球体内漩涡开始向球冠边缘处移动，而出水口处的漩涡逐渐向下游移动。由于偏心作用，X-Z截面上开始出现两次流现象，压力最低点位于回流区中心处，呈现出较强的扰动趋势。在X-Y截面上靠近球冠的位置形成了两个新的漩涡区，由于偏心球阀以Y-Z截面为对称面对称，故两个漩涡区的强度大小相同，方向相反，与X-Z截面上的涡区相对应，控制了阀体内部的流态，这也说明偏心球阀在小开度的情况下存在着大尺度的三维流动。可见在偏心球阀内，主流道流动方向Y-Z，X-Z截面的扰动相对于过流断面X-Y截面的扰动更加剧烈，如图5
四、偏心球阀性能预测与实验分析
为了验证数值模拟计算结果，对研究的偏心球阀进行了水力试验，试验结果与数值模拟结果相似度较高，证明数值模拟过程中得到的偏心球阀内部流场结构有较高的可信度与真实性，同时也说明了球阀外宏观特性与其内部流态具有不可分割的联系。由于实验条件有限，笔者仅对偏心球阀的固有流量特性以及汽蚀系数进行了实验研究。
1、阀门固有流量特性
阀门的固有流量特性是衡量阀门流通能力的指标，用
流量系数表述，其值越大，说明流体流过阀门的压力损失越小。阀门的流量系数C是当水流经阀门的两端压差为100kPa时，某给定行程所流过的以m
3/h计的流量数值。其计算式如下：
式中Q为经过阀门的流量值，m
3/h；ρ为流体密度，本系统所用流体为水，ρ=1kg/m
3；Δp为阀门两端的压力差，100kPa。如图6所示。
2、阀门的汽蚀系数
不同结构形式的阀门有其不同的汽蚀系数
[8]，其一般的计算式如下：
式中H1为阀后（出口）压力水头，m；H
2为大气压与其温度相对应的饱和蒸汽压力头之差，m；Δh为阀门前后的压差头，m。
各种阀门由于构造不同，因此允许的汽蚀系数δ也不同，如果计算的汽蚀系数大于容许汽蚀系数，则说明可用，不会发生汽蚀，如图7。
3、压力恢复系数
阀门的形式将影响其对汽蚀的敏感性，本次计算的偏心球阀为高复原阀门。在进口压力和压降相同的情况下，流体通过收缩截面时，高复原阀门的阀后出口压力恢复远大于低复原阀门。阀门的复原性可用压力恢复系数F
L表示。
其中，p
1为阀门进口压力，p
2为阀门出口压力，p
vc为阀门内部压力最低点压力。F
L小于1.0，p
2>p
vc，阀后出口压力恢复；当阀内最低点压力低于蒸汽压力而出现气泡时，阀后高压将挤压蒸汽气泡；FL越小，阀后恢复压力越大，迫使蒸汽气泡溃灭的能力越强，更易出现汽蚀破坏现象。FL不小于1。0时，p
2≤pvc，阀后出口压力没有恢复，继续下降，蒸汽气泡不会破裂，流体以气液混合状态存在，流速继续增大，即进入闪蒸状态，如图8所示。
通过对阀门宏观性能的研究可以发现，在偏心球阀相对开度为0.5左右时，其宏观性能具有明显的改变，在图6、图7以及图8中的各种性能曲线中均出现拐点。此种现象恰恰与偏心球阀内部流场高速区的断裂相吻合，证明了阀门内部流场高速区的断裂与其宏观的外部性能具有密切联系。
五、结论
本研究通过对偏心球阀流场的数值模拟及性能预测获得以下结论：
1、偏心球阀的相对开度大于0.8时，阀门具有优异的过流特性，流态比较稳定，压力、速度梯度较小。
2、在阀门相对开度约为0.75时，Y-Z，X-Z截面上的漩涡运动开始同时加强，表现出了显著的一致性。随着开度的减小，X-Z截面上出现了两个强度大小基本相等，方向相反的对称漩涡，偏心阀体内部的流动区域被这两个漩涡所控制。当偏心球阀的开度进一步减小时，X-Y截面上靠近球冠的位置形成了两个新的对称漩涡区，与X-Z截面上的涡区相对应，控制了其内部的流态，这说明偏心球阀在小开度的情况下存在着大尺度的三维流动，同时也说明主流道流动方向的扰动相对于过流断面的扰动更加剧烈。
3、由于研究条件有限，笔者对宏观性能的实验研究主要集中在过阀前后压力上。在条件允许的情况下，希望可以对偏心球阀阀体内部压力、速度分布作进一步研究，从而更量化地揭示出流场高速区对阀门性能参数的影响。
4、随着阀门开度逐渐降低，Y-Z截面阀门出水口形成了明显的回流区，漩涡强度随开度的减小而增大，当开度小于0.5时，偏心球阀球体内的高速区断裂，与其宏观性能的拐点相对应，说明阀门高速区的断裂与其外部宏观性能具有非常密切的关联。
