球閥的流量特性和流阻變化規律

1．啟閉過程球閥流量變化規律

圖1展示了不同啟閉時間下，實驗流量隨開度的變化規律。從圖中可以看出，開啟過程流量變化規律與關閉過程存在明顯差別。對于開啟過程，在20%閥門開度以下，流量變化很??；而在20%開度以上，流量隨著開度的增加而明顯增加。對于關閉過程，在80%閥門開度以上，流量變化很?。欢?0%閥門開度以下，流量隨著閥門開度的減小而明顯下降。其原因是：閥門剛開啟或者關閉時，開度突然變化，而由于慣性的存在，流體的流動沒有及時發生相應改變。隨著啟閉時間的增加，流體的這種滯后現象逐漸消失。

球閥實驗流量隨開度的變化規律

同時可以發現，相同開度下，開啟過程的流量始終比關閉過程流量要小；而隨著啟閉時間的延長，球閥啟閉過程的差異性逐漸減小，當啟閉時間為70s時，閥門開啟和關閉過程的趨勢基本保持一致，并且接近穩態工況的流量曲線。

2．啟閉過程球閥進出口壓力變化規律

圖2所示是啟閉時間為18s、34s、70s和穩態工況下閥門的進出口壓力變化曲線圖。從圖中可以看出，閥門啟閉過程的進口壓力變化較大，而出口壓力變化較小。通過不同啟閉時間的結果對比，發現隨著啟閉時間的增大，閥門開啟過程的進口壓力與關閉過程的進口壓力基本一致，說明在一定啟閉時間內，閥門進出口壓力變化與啟閉時間無關。

不同啟閉工況下球閥進出口壓力變化

從圖中還可以明顯觀察到開啟過程和關閉過程出口壓力變化規律存在明顯差別。對于閥門開啟過程，在60%～70%開度之間存在明顯的壓降；但是對于關閉過程，壓力陡降區域則在20%～30%開度范圍內。其原因可能是閥門開啟過程，流速在60%～70%開度范圍內增加幅度較大，動能增大導致了靜壓明顯下降；而關閉過程，流速在20%～30%開度范圍內降低幅度較大，動能減小導致靜壓明顯上升。

3．啟閉過程球閥流阻特性對比分析

閥門的流量系數和阻力系數是其流阻特性的外在表現，因此，提取了球閥啟閉過程的流量系數和阻力系數進行對比分析。

不同開啟工況球閥流量系數變化規律

圖3所示為不同開啟工況球閥流量系數變化規律。從圖中可以發現，瞬態數值模擬結果與實驗結果也基本吻合，說明了數值模擬的精確性。隨著閥門開度的增加，流量系數都呈類指數增加，說明隨著球閥開啟速度的變化，其瞬態流量系數曲線的變化趨勢沒有發生變化。但是通過對比不同工況還是可以發現，流量系數值在開度50%以前基本相同，在開度50%后出現差異。因此，為了準確分析流量系數曲線的差異性，對穩態和不同開啟速度下球閥數值模擬的流量系數值取對數，得到了不同開啟速度下球閥流量系數值的對數曲線。

不同啟閉工況球閥阻力系數變化規律

圖4所示為啟閉過程阻力系數的數值計算和實驗結果。由圖可知，數值計算結果基本處于實驗的數據帶中，說明了數值計算過程的準確性。由前文所述，在閥門開啟過程和關閉過程，其上下游壓力及流經閥門的流量都存在較大差別，因此可以發現閥門的阻力系數在開啟過程和關閉過程不同。開啟過程的阻力系數遠高于關閉過程，特別是閥門的啟閉時間較短時。隨著啟閉時間的延長，開啟過程阻力系數逐漸降低，而關閉過程中阻力系數逐漸增大，兩者差別逐漸減小。當啟閉時間無限大時（穩態工況），啟閉過程的阻力系數則會重合。