石喜，貢力，陶虎，李露，李江濤

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州，730070)

含沙水流的水力輸送廣泛存在于水利、環(huán)保和市政等領(lǐng)域。在水力輸送管道中，球閥作為重要的水力元件常常用于控制流量、調(diào)節(jié)壓力。含沙水流在球閥中運(yùn)動(dòng)時(shí)，受閥芯結(jié)構(gòu)的影響，其流場(chǎng)特性和壓力損失要比單相流復(fù)雜得多，還有可能使球閥產(chǎn)生沖蝕磨損，影響球閥的運(yùn)行安全，因此，有必要對(duì)球閥的固-液兩相流特性進(jìn)行探討。人們采用試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法對(duì)各類(lèi)閥門(mén)兩相流的特性如氣-固兩相流的流動(dòng)特性[1]、沖蝕特性[2]，氣-液兩相流的流場(chǎng)特性[3]、流量系數(shù)[4]、壓力降[5]等進(jìn)行了研究。在閥門(mén)固-液兩相流方面，WHEELER 等[6]研究了含沙水流對(duì)節(jié)流閥的沖蝕特性，發(fā)現(xiàn)在節(jié)流閥中加入CVD 金剛石涂層可提高閥門(mén)的抗沖蝕性能；HU等[7]采用DPM模型研究了節(jié)流閥中固-液兩相流的抗沖蝕磨損特性；訚耀保等[8]采用CFD與沖蝕模型對(duì)射流管伺服閥多相流中固體顆粒物和油液的運(yùn)動(dòng)及沖蝕磨損進(jìn)行了數(shù)值模擬研究；馬藝等[9]利用雷諾應(yīng)力模型和歐拉-歐拉方法對(duì)球閥的開(kāi)啟壓差及壓力分布特性進(jìn)行了研究；楊國(guó)來(lái)等[10]采用數(shù)值模擬對(duì)某黑水調(diào)節(jié)閥在2種開(kāi)度下的閥門(mén)流場(chǎng)進(jìn)行了分析；余天賜[11]對(duì)球閥固-液兩相流的流動(dòng)及磨損特性進(jìn)行了研究；崔之健等[12]對(duì)除砂器中攜砂液流對(duì)針型閥的沖蝕特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。可以看出，前人對(duì)各類(lèi)閥門(mén)的兩相流研究以氣-液兩相流壓力損失變化規(guī)律的研究為主，而對(duì)球閥固-液兩相流壓力損失變化規(guī)律的研究較少。為此，本文作者以常見(jiàn)的PVC 球閥為研究對(duì)象，采用Eulerian雙流體模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同閥門(mén)開(kāi)度時(shí)流場(chǎng)變化、顆粒分布特征，以及流速、開(kāi)度、顆粒體積分?jǐn)?shù)和顆粒粒徑的變化對(duì)球閥壓力損失的影響規(guī)律，以期為水力輸送管道的設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 兩相流數(shù)學(xué)模型

選用Eulerian 模型進(jìn)行球閥固-液兩相流數(shù)值模擬。Eulerian模型屬于歐拉-歐拉連續(xù)流體模型，將顆粒相作為擬流體，認(rèn)為顆粒相與流體相是共同存在的連續(xù)介質(zhì)，兩相都在歐拉坐標(biāo)系下計(jì)算[13]?；贓ulerian 模型建立的固-液兩相流基本方程包括連續(xù)性方程和動(dòng)量方程[14]。

液相和固相的連續(xù)性方程分別為：

式中：ρl和ρs分別為液相密度和固相密度；αl和αs分別為液相體積分?jǐn)?shù)和固相體積分?jǐn)?shù)，αl+αs=1；ul和us分別為液相速度和固相速度；?為拉普拉斯算子；t為時(shí)間。

液相和固相的動(dòng)量方程分別為：

式中：p為靜壓；ps為固相壓力；g為重力加速度；和分別為液相和固相的應(yīng)力-應(yīng)變張量；Mi為兩相間的體積作用力。

考慮相間作用，由于顆粒密度大于水流密度，因此，可將顆粒所有的虛質(zhì)量力忽略[15]。在數(shù)值計(jì)算時(shí)考慮拖曳力和升力的影響，動(dòng)量傳遞方程如下[16]：

式中：Ksl為相間動(dòng)量交換系數(shù)；Clift為升力系數(shù)，本文計(jì)算時(shí)取0.5。

1.2 湍流模型

采用混合標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算?；旌蠘?biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型是單相湍流模型的一種擴(kuò)展，在計(jì)算時(shí)考慮兩相之間的相互作用，其k方程和ε方程分別如下[16]：

式中：μt,m為混合相湍流黏性系數(shù)；σk和σε分別為與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，分別取1.0和1.3；ρm為混合相密度；Gk,m為湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；um為混合相速度；C1ε和C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取1.44和1.92。

2 幾何模型與計(jì)算方法

2.1 幾何模型

PVC 球閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由手柄、閥桿、閥體和球體等組成，其啟閉件是1 個(gè)有孔的球體，與閥桿和手柄連接，通過(guò)手柄旋轉(zhuǎn)繞垂直軸線的啟閉件來(lái)啟閉通道。

圖1 PVC球閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch of PVC ball valve

本文數(shù)值計(jì)算采用的球閥為DN75PVC 球閥，球體通道內(nèi)徑為57.8 mm。圖2所示是球閥開(kāi)度為50°的幾何模型，其中，上游和下游連接管道為DN75 的PVC 管道，內(nèi)徑為67.8 mm，管道水平放置。計(jì)算模型的幾何區(qū)域取上游長(zhǎng)度L1=1 025 mm(L1＞10d，d為管道的公稱(chēng)外徑)，下游長(zhǎng)度L2=1 400 mm(L2＞15d)。為了保證計(jì)算流動(dòng)的穩(wěn)定性，取壓點(diǎn)分別設(shè)置在上游10d和下游15d的位置處。計(jì)算時(shí)，液相為水(溫度為20 ℃)，固相為泥沙顆粒，密度為2 650 kg/m3。相間的拖曳力選用Syamlal-O′brien模型，考慮重力的影響，重力方向取Z軸的負(fù)方向。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

2.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

采用Gambit 軟件對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在球閥閥芯位置采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其余部位采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。為了保證網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響較小，需進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。以進(jìn)口速度為3 m/s、球閥開(kāi)度為70°、顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%、粒徑為0.08 mm 時(shí)的球閥壓力損失Δpb為指標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出：當(dāng)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量大于45萬(wàn)個(gè)時(shí)，可保證計(jì)算結(jié)果的精度。在不同開(kāi)度時(shí)，本文取計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量為47.2 萬(wàn)～48.4 萬(wàn)個(gè)。圖4所示為網(wǎng)格劃分圖(球閥開(kāi)度為50°)。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)Fig.3 Mesh independence test

圖4 網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh generation

2.3 離散格式與邊界條件

采用相間耦合的SIMPLE 算法進(jìn)行迭代求解，對(duì)近壁區(qū)流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。邊界條件進(jìn)口采用速度進(jìn)口條件，連續(xù)相運(yùn)動(dòng)速度與顆粒相運(yùn)動(dòng)速度相同；出口采用自由出流邊界，所有方程迭代殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為10-4。

2.4 計(jì)算模型驗(yàn)證

由于球閥固-液兩相流方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，本文采用GILLIES等[17]在水平直管段中的水沙兩相流試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。由于直管段與球閥中水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及產(chǎn)生壓力損失的機(jī)理相同，而且球閥在開(kāi)度較大時(shí)的流動(dòng)特性與水平直管的流動(dòng)特性相似，因此，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后的計(jì)算模型可用于球閥固-液兩相流計(jì)算。GILLIES 等[17]的試驗(yàn)參數(shù)如下：管道長(zhǎng)度為10 m，內(nèi)徑為103 mm，泥沙顆粒密度為2 650 kg/m3，顆粒粒徑為0.09 mm，顆粒的體積分?jǐn)?shù)分別為19%和29%，管壁的粗糙度為2 μm。圖5所示為單位長(zhǎng)度壓力損失Δpb的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。從圖5可以看出：在不同顆粒體積分?jǐn)?shù)和速度時(shí)，單位長(zhǎng)度壓力損失計(jì)算結(jié)果略大于試驗(yàn)結(jié)果，但整體上保持較好的一致性且基本接近，表明Eulerian 模型能夠較好地模擬固-液兩相流動(dòng)。

圖5 壓力損失數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.5 Pressure loss comparison of numerical simulation results with experimental results

3 結(jié)果與分析

3.1 混合相流場(chǎng)分布

當(dāng)進(jìn)口流速為2 m/s，顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%，粒徑為0.08 mm 時(shí)，不同開(kāi)度的XY截面混合流速分布和流線如圖6所示。由圖6可以看出：當(dāng)球閥開(kāi)度為90°時(shí)，混合流速分布和流線較均勻，由于閥芯通道的直徑小于管道直徑，導(dǎo)致通道內(nèi)出現(xiàn)流速梯度，中間速度較大，閥芯出口管壁處出現(xiàn)局部低速區(qū)；隨著球閥開(kāi)度減小，閥芯通道進(jìn)口混合流面積不斷減小，在通道內(nèi)形成較大的流速梯度，中間部位流速較大，而流速梯度隨著開(kāi)度減小而增大。從流線變化可以看出：當(dāng)球閥開(kāi)度為90°時(shí)，流線平順；當(dāng)球閥開(kāi)度為70°和50°時(shí)，由于球閥呈半開(kāi)狀態(tài)，混合流進(jìn)入閥芯后在上側(cè)形成漩渦；而當(dāng)球閥開(kāi)度為40°時(shí)，閥芯上側(cè)仍有漩渦。從閥后流線變化看，球閥開(kāi)度小于70°時(shí)發(fā)生回流，回流尺度隨開(kāi)度減小而增大，這是閥后過(guò)流面積減小所致?？梢钥闯?，球閥開(kāi)度對(duì)混合流流場(chǎng)分布的影響較大。

圖6 混合流速度分布及流線Fig.6 Velocity distribution and streamlines of mixed flow

3.2 顆粒體積分?jǐn)?shù)分布

當(dāng)進(jìn)口流速為2 m/s、顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%、粒徑為0.08 mm時(shí)，不同開(kāi)度XZ和YZ截面顆粒體積分?jǐn)?shù)度分布以及YZ截面上Z方向的渦量如圖7所示。通過(guò)渦量可分析顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化情況。從圖7可以看出：在進(jìn)口S1 截面，由于重力的影響使顆粒在上部顆粒體積分?jǐn)?shù)較低，下部顆粒體積分?jǐn)?shù)較高，不同開(kāi)度時(shí)S1 截面的顆粒體積分?jǐn)?shù)分布相似；渦量的變化與顆粒體積分?jǐn)?shù)變化相反，在渦量大的區(qū)域顆粒體積分?jǐn)?shù)較低，而在渦量小的區(qū)域顆粒體積分?jǐn)?shù)較高，這是由于S1 截面整體流動(dòng)的湍動(dòng)能較小，此時(shí)渦量的變化對(duì)顆粒體積分?jǐn)?shù)分布影響較大，渦量大的地方湍動(dòng)劇烈使顆粒分散。

圖7 開(kāi)度不同時(shí)顆粒體積分?jǐn)?shù)分布與渦量分布Fig.7 Distribution of particle volume fraction and vorticity at different openings

在閥芯S2 截面，當(dāng)開(kāi)度為90°和70°時(shí)，顆粒體積分?jǐn)?shù)梯度較?。徽w流動(dòng)的湍動(dòng)能較小，顆粒分布受渦量變化影響，表現(xiàn)為渦量大的區(qū)域顆粒體積分?jǐn)?shù)較低，而渦量小的區(qū)域顆粒體積分?jǐn)?shù)較高；在開(kāi)度為50°和40°時(shí)，顆粒體積分?jǐn)?shù)梯度較大，并且分布較亂，出現(xiàn)的顆粒低體積分?jǐn)?shù)區(qū)域和高體積分?jǐn)?shù)區(qū)域較多，此時(shí)渦量的變化也較亂。這是由于在開(kāi)度為50°和40°時(shí)，閥芯內(nèi)的紊動(dòng)加大，加速了顆粒與水流的運(yùn)動(dòng)，而流通面積的減小使回流區(qū)域增多，使得顆粒在部分區(qū)域堆積形成高體積分?jǐn)?shù)區(qū)，在部分區(qū)域沖散形成低體積分?jǐn)?shù)區(qū)。這說(shuō)明在流動(dòng)紊動(dòng)劇烈時(shí)，顆粒分布不受渦量的影響。

在出口S3 截面，當(dāng)開(kāi)度為90°和70°時(shí)，顆粒體積分?jǐn)?shù)分布相似；當(dāng)開(kāi)度為50°時(shí)，中間部位顆粒體積分?jǐn)?shù)較低，出現(xiàn)2個(gè)低體積分?jǐn)?shù)區(qū)域；而當(dāng)開(kāi)度為40°時(shí)，中間體積分?jǐn)?shù)低，分布相對(duì)均勻。從渦量變化來(lái)看，當(dāng)開(kāi)度為90°時(shí)，流動(dòng)湍動(dòng)能較小，顆粒體積分?jǐn)?shù)分布受渦量變化的影響較大；而在其分開(kāi)度時(shí)，由于受閥芯擾動(dòng)的影響，S3 截面的顆粒體積分?jǐn)?shù)分布不受渦量影響。

3.3 壓力損失變化

3.3.1 球閥壓力損失計(jì)算

固-液兩相流經(jīng)過(guò)球閥時(shí)的壓力損失可表示為

式中：Δpb為混合流經(jīng)過(guò)球閥的壓力損失；Δp為球閥上下游2 個(gè)取壓點(diǎn)之間總壓力損失；Δpλ為相應(yīng)直管段混合流的摩阻損失。

通過(guò)對(duì)相應(yīng)直管段計(jì)算可得到相應(yīng)工況下混合流的水力坡度im，摩阻損失Δpλ可采用下式計(jì)算：

式中：im為相同工況下混合流的水力坡度；ΔL為直管段長(zhǎng)度。

3.3.2 球閥壓力損失隨閥門(mén)進(jìn)口流速的變化

當(dāng)顆粒粒徑為0.08 mm、顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)，球閥兩相流壓力損失Δpb隨進(jìn)口流速的變化如圖8所示。從圖8可見(jiàn)：在不同開(kāi)度時(shí)，球閥壓力損失隨流速增大而增大。這是由于隨著流速增大，兩相流經(jīng)過(guò)球閥時(shí)加劇了水流的紊動(dòng)程度，水流的劇烈紊動(dòng)加速了顆粒的運(yùn)動(dòng)，使得液相損失和固相損失[18]均增大，因而壓力損失增大。從圖8還可看出：當(dāng)開(kāi)度為90°和70°時(shí)，壓力損失的變化幅度較小，而在開(kāi)度為50°時(shí)，壓力損失的變化幅度較大，這說(shuō)明當(dāng)開(kāi)度較小時(shí)，流速對(duì)壓力損失的影響更加明顯。

圖8 球閥兩相流壓力損失隨進(jìn)口流速的變化Fig.8 Variation of pressure loss of solid-liquid two-phase flow of PVC ball valves with flow velocity

3.3.3 球閥壓力損失隨球閥開(kāi)度的變化

DN75 球閥在顆粒粒徑為0.08 mm、顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%和20%時(shí)，球閥兩相流壓力損失Δpb隨球閥開(kāi)度的變化如圖9所示。從圖9可以看出：球閥開(kāi)度對(duì)壓力損失的影響明顯，隨著開(kāi)度增大，壓力損失減小；開(kāi)度越小，壓力損失的增加幅度越大。這是由于當(dāng)開(kāi)度較小時(shí)，進(jìn)入球閥的流動(dòng)受阻，閥芯內(nèi)的流速梯度較大，湍流紊動(dòng)劇烈，在閥芯和閥后部位出現(xiàn)較大的回流區(qū)域，使得液相損失和固相損失都增大，形成了球閥前后較大的壓力損失。

圖9 液相兩相流壓力損失隨球閥開(kāi)度的變化Fig.9 Variation of pressure loss of solid-liquid two-phase flow of PVC ball valves with ball valve opening

3.3.4 球閥壓力損失隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化

當(dāng)進(jìn)口流速為2 m/s、顆粒粒徑為0.05 mm 和0.12 mm、球閥開(kāi)度為90°和50°時(shí)，液相兩相流壓力損失Δpb隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化如圖10所示。從圖10可以看出：在其他條件不變時(shí)，壓力損失隨顆粒體積分?jǐn)?shù)增大而增大；從變化幅度來(lái)看，顆粒體積分?jǐn)?shù)對(duì)壓力損失的影響不如流速和閥門(mén)開(kāi)度對(duì)壓力損失的影響明顯。這是由于影響壓力損失的固相和液相中，在顆粒體積分?jǐn)?shù)較小時(shí)以液相損失為主，而固相損失較小；隨著顆粒體積分?jǐn)?shù)增大，固相顆粒數(shù)量增多，壓力損失以固相損失為主，此時(shí)，液相損失較小。由于固相顆粒與管壁的摩擦碰撞引起的損失大于液相引起的損失，因此，當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)較大時(shí)，混合流的壓力損失較大。

圖10 液相兩相流壓力損失隨顆粒體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.10 Variation of pressure loss of solid-liquid two-phase flow of PVC ball valves with particle volume fraction

3.3.5 球閥壓力損失隨顆粒粒徑的變化

當(dāng)進(jìn)口流速2 m/s、顆粒體積分?jǐn)?shù)為10%和20%、開(kāi)度不同時(shí)，球閥壓力損失Δpb隨顆粒粒徑的變化如圖11所示。從圖11可以看出：在開(kāi)度為70°～90°時(shí)，壓力損失隨著顆粒粒徑增大略有增大；而在開(kāi)度為40°～60°時(shí)，壓力損失隨著顆粒粒徑增大而有所減小，整體上變化幅度不大；當(dāng)顆粒體積分?jǐn)?shù)不變時(shí)，增大顆粒粒徑使顆粒的數(shù)量減小，在開(kāi)度為70°～90°時(shí)，由于球閥開(kāi)度較大，流動(dòng)相對(duì)平順，在閥芯和閥后產(chǎn)生的回流區(qū)域較少而湍動(dòng)能較弱，此時(shí)，壓力損失主要取決于顆粒運(yùn)動(dòng)(包括顆粒與顆粒、顆粒與水流的作用)；當(dāng)顆粒粒徑增大時(shí)，粒徑大而數(shù)量少的顆粒運(yùn)動(dòng)所消耗的能量大于粒徑小而數(shù)量多的顆粒運(yùn)動(dòng)所消耗的能量，因而，隨著粒徑增大，壓力損失增大；在開(kāi)度為40°～60°時(shí)，由于開(kāi)度較小，進(jìn)入球閥的流動(dòng)紊動(dòng)劇烈，在閥芯和閥后部位產(chǎn)生的回流區(qū)域增多，回流使顆粒與壁面之間的碰撞劇烈程度加大，此時(shí)，當(dāng)顆粒粒徑增大時(shí)，壓力損失可能取決于顆粒與壁面之間的作用，粒徑小而數(shù)量多的顆粒與壁面之間的碰撞力大于粒度大而數(shù)量少的顆粒碰撞力，可能造成小開(kāi)度時(shí)壓力損失隨粒徑的增大而減小。

圖11 球閥壓力損失隨顆粒粒徑的變化Fig.11 Variation of pressure loss of ball values with particle size

3.4 壓力損失變化影響因素評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步探討不同影響因素對(duì)球閥壓力損失的影響程度，采用無(wú)交互作用的單因變量多因素方差分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)，分析不同影響因素的顯著程度。

單因變量多因素方差分析是研究多個(gè)因素對(duì)同一因變量的影響水平的統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)某一因變量，假設(shè)有m個(gè)影響因素，記為A1,A2,…,Am，因素Ai有ri個(gè)水平(i=1,2,…,m)，若記該因變量為Xk1k2…km，則該多因素方差分析的數(shù)學(xué)模型為[19]

式中：μ為總均值；αki為因素Ai的水平效應(yīng)；εk1k2…km為隨機(jī)誤差，各個(gè)εk1k2…km相互獨(dú)立且服從N(0,σ2)；k1=1,2,…,r1；k2=1,2,…,r2；km=1,2,…,rm。

以DN75 球閥固-液兩相流壓力損失Δpb為考察對(duì)象，采用F檢驗(yàn)法對(duì)影響壓力損失的4個(gè)因素(進(jìn)口流速v、球閥開(kāi)度τ、顆粒體積分?jǐn)?shù)n和顆粒粒徑ds)進(jìn)行多因素方差分析，結(jié)果如表1所示(檢驗(yàn)假設(shè)所有因素對(duì)壓力損失Δpb沒(méi)有顯著性影響)。

取檢驗(yàn)顯著性水平α=0.05。從表1可以看出：顆粒體積分?jǐn)?shù)和顆粒粒徑的相伴概率P分別為0.848 和1.000，均大于0.050，表明顆粒體積分?jǐn)?shù)和顆粒粒徑對(duì)壓力損失的影響不顯著；而進(jìn)口流速和球閥開(kāi)度的相伴概率P均小于0.050，表明進(jìn)口流速和球閥開(kāi)度對(duì)壓力損失具有顯著影響。由于球閥開(kāi)度的相伴概率遠(yuǎn)小于進(jìn)口流速的相伴概率，因此，球閥開(kāi)度對(duì)壓力損失的影響最顯著。

表1 影響因素方差分析結(jié)果Tab.1 Results of variance analysis for influenced factors

4 討論

影響球閥固-液兩相流壓力損失的因素較多，本文主要討論進(jìn)口流速、球閥開(kāi)度、顆粒體積分?jǐn)?shù)和顆粒粒徑對(duì)DN75PVC 球閥壓力損失的影響。本研究中，壓力損失隨流速增大而增大，這與文獻(xiàn)[18]所得的水平管道中冰水兩相流壓力損失一致。在球閥與水平管道中，當(dāng)速度增大時(shí)，水流與顆粒的紊動(dòng)都加劇，因而損失增大。壓力損失隨球閥開(kāi)度增大而減小，這是由于開(kāi)度增大時(shí)流通能力增強(qiáng)，流速梯度減小，壓力損失也減小。壓力損失隨顆粒體積分?jǐn)?shù)增大而增大，這與文獻(xiàn)[20]所得的水平管道中固-液兩相流結(jié)果一致。在水平管道中，顆粒數(shù)量增多，增加了顆粒之間的碰撞概率，而且較多數(shù)量的顆粒維持懸浮需要提供的能量也多；而在球閥中，由于流體面積較小，顆粒數(shù)量較多時(shí)增加了顆粒與顆粒、顆粒與壁面的碰撞概率。顆粒粒徑的變化對(duì)壓力損失的影響較復(fù)雜。文獻(xiàn)[20]得出在其他條件不變時(shí)，水平管道中的壓力損失隨粒徑增大而增大；而文獻(xiàn)[18]得出冰水兩相流壓力損失隨粒徑增大而減小；在球閥中，當(dāng)開(kāi)度為70°～90°時(shí)，壓力損失隨粒徑增大而增大；當(dāng)開(kāi)度為40°～60°時(shí)，壓力損失隨粒徑增大而減小。粒徑增加可能使壓力損失增加，也可能會(huì)降低，具體取決于顆粒的運(yùn)動(dòng)特性及流通邊界。

5 結(jié)論

1)球閥開(kāi)度對(duì)混合流流場(chǎng)分布影響較大。隨著閥門(mén)開(kāi)度減小，閥芯內(nèi)流速梯度增大，在閥后形成漩渦，漩渦尺度隨閥門(mén)開(kāi)度減小而增大；當(dāng)開(kāi)度不同時(shí)，進(jìn)口截面顆粒體積分?jǐn)?shù)分布基本相似，閥芯中心截面和出口截面在小開(kāi)度時(shí)顆粒體積分?jǐn)?shù)分布較亂。

2)球閥混合流壓力損失隨流速增大而增大，隨開(kāi)度增大而減小，隨顆粒體積分?jǐn)?shù)增加而增大；而壓力損失隨顆粒粒徑的變化趨勢(shì)與閥門(mén)開(kāi)度有關(guān)，當(dāng)開(kāi)度為70°～90°時(shí)，壓力損失隨著粒徑增大而增大，當(dāng)開(kāi)度為40°～60°時(shí)，壓力損失隨粒徑增大而減小。

3)顆粒體積分?jǐn)?shù)和顆粒粒徑對(duì)壓力損失的影響不顯著，而進(jìn)口流速和球閥開(kāi)度對(duì)壓力損失具有顯著影響，其中，球閥開(kāi)度對(duì)壓力損失的影響最顯著。