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型調節球閥閥芯的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。該型調節球閥還具有流體阻力小、流通能力大的特點。調節閥內部結構復雜，而且還在不斷的變化更新，隨著計算機技術和數值計算的發展，運用CFD技術對流體流動進行模擬仿真分析已經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型調節球閥內部流體介質的流動特性進行模擬仿真，分析不同性質流體在調節閥內部的流阻情況。

圖1 V型調節球閥的閥芯結構

    1 流體計算模型

    在研究單相介質流體流動特性時，運動規律遵循三個基本守恒定律，即質量守恒定律、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．在用進行數值計算時，k－ε模型中經驗常數的取值通常情況為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（N•sⁿ/m²）；γ為應變速度（s^-1）；n為流動指數。其中當0＜n＜1時為剪切細化流；當n＞1時為剪切稠化流。

    2 數值模擬邊界條件設置

    通過三維建模軟件solidworks建立V型調節球閥在不同開度下的流道模型（模型參數由某公司提供），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，劃分網格時采用兼容性較強的非結構化四面體網格，劃分后的網格數大約為26萬。當閥芯開度為50℃時流道網格模型如圖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℃時流道網格模型

    3 數值求解

    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節閥不同開度下的流體流動進行數值模擬計算，對非牛頓流體進行數值模擬計算時，通過以下步驟調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，由于在節流處產生渦漩流動，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，因此在調節閥閥芯和流道節流處壓力變化*明顯，對比入口處壓力可以看出在節流處壓力值有所減小，主要是因為在節流處流體流動速度突然增大從而引起壓力突然減小，不同性質流體流經調節閥時壓力變化比較明顯部位都集中在節流處，在調節閥入口和出口端流體流動平穩，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ξ取決于閥門產品的尺寸、結構以及內腔形狀，其內部每一個元件都可以看作產生阻力的元件系統，當有流體通過閥門時，整個流動系統中的流阻系數還和流體本身的特性有關．流體在閥門中的流阻系數計算公式為

         （7）

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

    通過數值模擬得到壓差分別為0.2MPa、0.5MPa、1MPa、1.5MPa時，調節閥不同開度下的流阻系數值，見圖6、表1、表2、表3。

表1 不同壓差下水流阻系數ξ

表2 不同壓差下污水（n＝0.1666）流阻系數ξ

表3 不同壓差下污水（n＝1.666）流阻系數ξ

    從圖6中我們可以看出，調節閥流阻系數隨開度增大呈現出減小趨勢，當調節閥為全開狀態時流阻系數*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，并且在節流處會形成渦旋流動，因此在開度較小時流阻系數值較大。

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變化曲線

    對比表1、表2和表3的數據，可以看出對于不同流體，閥門流阻系數值不同，當具有牛頓流體性質水通過閥門時，流阻系數較非牛頓性質污水小。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生變化；而非牛頓流體剪切應力隨應變速度變化呈現非線性變化。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較細化流流阻系數值變化不明顯；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較剪切細化流變化明顯，其流阻系數值較剪切細化流流阻系數值大。

    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流體通過V型調節球閥時的流動特性可以看出：

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

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

    （3）在同一開度下，當壓差變化時，不同性質流體通過調節閥時流阻系數值變化不明顯。