V形调节球阀的流量特性为近似等百分比，该阀可调范围广，密封可靠，使用寿命长，而且V形切口的球体与金属阀座之间具有剪切作用，适用于含纤维、微小固体颗粒和料浆等介质的工况。由于球体的V形切口是影响其调节性能的关键因素，本文结合实验数据，利用计算流体动力学CFD软件，优化球体V形切口的形状，使其实际流量特性曲线与理想的流量特性曲线尽量一致，提高调节的灵敏性。
一、球体V形结构
图1 球体的V形口
以DN80、可调比为100的V形调节球阀为例。其球体上开有一个V形切口（图1）。阀杆旋转，开口面的形状从三角形逐渐变化到圆弧形，因而改变调节阀的流通面积。随着阀杆继续旋转，V形切口旋入阀体，球体与阀体中的密封圈接触，达到良好的调节性能和密封性能。球体开口面积不断变化实现阀门的流量调节，所以V形切口的形状是影响球阀流量特性的主要因素。
二、数值模型
图2 V形球体调节球阀
由于球体的V形切口形状是影响球阀流量特性的主要因素，所以仅分析球体上流体通过的部分。球阀的CAE模型如图2所示，将其导入CFD前处理软件Gambit中进行网格划分。由于模型的结构是不规则形状，所以采用非结构化网格进行划分，网格数目大约在30万个。将划分好的网格模型导入CFD后处理软件Fluent中，在计算机上模拟计算不同开度下流体流过阀门的流量。数值模拟计算是基于不可压流体的Reynolds平均动量方程和连续性方程，由于流体在阀门内的流动属于湍流流动，湍流模型采用标准K-e双方程模型。
三、流量特性计算分析
V形调节球阀的压差ΔP=100kPa，可调比R=Qmax/Qmin，温度t=30，介质是水。依据等百分比流量特性，建立理想的等百分比流量数学表达式
式中
Q ----测点流量，m3/h
Qmax - 最大流量，m3/h
l ----测点的开度位移，mm
L ----最大位移，mm
R ----可调比（R=Qmax/Qmin）
模拟模型的可调比R=107.96/1.7743=60，远远小于理想的可调比（理想可调比为100），即
图3 流量特性
以相对开度l/L为横坐标，相对流量Q/Qmax为纵坐标，建立相对开度和相对流量的理想流量特性曲线、数值模拟流量特性曲线和实测流量特性曲线（图3）。从图3中可以看出，3条曲线变化趋势比较一致，说明数值模拟软件求解方程选择合理。在相同的相对开度下，数值模拟的流量特性曲线和实测流量的特性曲线在理想特性曲线的上部，数值模拟相对流量和实测相对流量大于理想相对流量。通过对相对流量的误差分析，数值模拟的结果与理想状态下的结果最大的误差是80%（（0.45-0.25）/0.25=80%），其误差大于GB/T17213.2-2005的规定。所以需要进一步分析三条曲线变化趋势，对式（2）进行一次求导，得出理想特性曲线的斜率为
由式（3）看出，当可调比R和最大流量Qmax一定时，如何改变流体在不同开度下的流量，使得流量特性曲线的斜率增大，即增大了流量特性曲线的曲率。减小V形调节球阀不同开度下的相对流量的变化率，能够使数值模拟的数据曲线与理想特性曲线接近和吻合。因此减小V形切口的流通面积，即可减小相对流量的变化率，由此可以达到优化的目的。
四、结构优化
图4 优化后的球体V形口形状
图5 优化后的相对流量与理想的相对流量的比较
球体V形口的优化结构如图4所示，图中实线为优化后的V+U形切口的开口形状，虚线为未优化时的结构，两种开口位置距球阀边缘的距离相等，开口角都为60!，优化后的切口横截面积小于优化前的面积。通过数值模拟分析，得到优化后的流量特性曲线（图5）。球体V形口优化后，流量特性曲线和理想特性区线更接近，在小开度下的数值更加趋近于理想曲线的数值，在中间开度下，数据模拟流量特性在理想特性曲线的上部，数值模拟相对流量稍大于理想相对流量。优化后的V形调节球阀的可调比R=107.43/1.167=92，较优化前有了很大的改善。表1所示的是优化后的相对流量与理想相对流量的数据对比。优化后的数据与理想的数据最大的误差为16.1%（即在相对开度为10%时），误差小于GB/T17213.2-2005的规定。
表1 优化后的曲线与理想曲线的数据对比
五、结论
1、通过数值模拟计算，优化设计模型的结构，改变流通的截面积，使得通过阀门的流量特性曲线与理想的流量特性曲线趋势接近。
2、数值模拟计算以及优化设计，为制造具有理想的调节特性的阀门提供了设计依据，从而节省了大量的实验时间，节约了制造成本，缩短了新产品从开发研究到制造生产的周期。
3、CFD数值模拟计算软件可以计算V形调节球阀的流量，得出不同开度下相对流量的变化，与实验的数据变化趋势相对一致，所以CFD软件适合模拟计算流体通过阀门的流量系数。
4、数值模拟计算可以人为设定流体的性质，改变影响流体流动的一些参数，优化模型的结构来改变阀门的流动特性。
