球阀仿真领域研究进展

球阀是管路系统中关键的组成部件，在石油天然气、医药、食品等领域都有着十分重要的用途。球阀使用过程中的安全和稳定，一直是研究人员关注的焦点。为预测球阀在指定工况下的力学特性和内部流场，仿真技术提供了良好的平台。针对球阀的建模仿真研究，对近年来的球阀的数值模拟研究现状和发展趋势进行总结和分析。总结的主要内容包括球阀结构强度、密封性能、谐响应、流通能力、空化特性和冲蚀磨损等各方面。预期能够为球阀设计和分析提供一定的参考和借鉴。

球阀是一种可以截断管道内流体或控制流体流量、压力的机械装置。

它具有流体阻力小、密封性好、启闭快，使用寿命长等优点，被广泛应用于油气运输、水利、航空、化工、冶金等领域。球阀控制的流体通常是液体、气体、固液混合体、气液混合体和气固液混合体。工业生产中球阀的工作环境一般都比较恶劣，在实际的运用中对球阀的工作能力和安全性能都有着严格的要求。设计时，不仅要考虑球阀的结构强度、密封性能等；还需要考虑外部载荷和内部流体本身对球阀的影响，如地震下、介质的冲蚀、空化、水锤等。

球阀的现场试验和模型试验能直观准确地得到所需参数，但缺乏对于自变量和外生变量的控制且样品成本和时间成本相对较高。随着计算机技术和力学理论的研究，数值仿真技术也日益的发展和成熟。

数值仿真可以利用计算机技术模拟出球阀的实际工作环境。通过数值仿真可以预测球阀的应力、应变、密封性能、内部流场、冲蚀和空化等变化过程。在研发新产品时，合理利用仿真技术能减少样品试制次数，缩短开发周期。对已有产品出现的问题，通过复现工作环境，找出问题原因，对减少球阀的安全隐患和提高球阀质量具有指导意义与实用价值。

2. 结构强度研究 在工程领域中，结构强度是设计时重要的考虑因素。结构强度是指物体或构件抵抗外部力和载荷作用下不发生破坏、变形或失效的能力。球阀结构形式繁多，球阀也可采用不同材料制成，包括铸铁、碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝等。不同材料和结构适用于不同的介质和工作环境。在球阀的设计与选用时中需要考虑到其所受的永久载荷和可变载荷等因素，以确保结构的安全性和稳定性。通过仿真分析可以预测在不同工况下阀门各个关键部件的应力和变形，工程师可以根据场景选择合适的材料、尺寸和形状，以满足结构强度的需求。

目前学者大多采用有限单元法进行球阀的结构强度方面的研究如Han C J [1]、Karan [2]、Ferreira [3]、曾和友[4]和聂君锋[5]等，有限单元法将分析模型看作由许多个小微元各项同性组合而成，相比其它方法能适用各种复杂形状的模型，能够较准确的计算出球阀各部件的受力情况。数值仿真还未发展前主要是通过材料力学理论及经验公式计算，现阶段随着分析方法的不断更新，计算方法现已容纳微分方程离散化求解、贴体坐标建立、边界条件离散等。数值仿真与传统经验公式相比数值仿真更加精准和方便。此外，仿真计算时需要对球阀的外部加载条件设置，其直接影响着模拟结果的准确性。

但是仅仅是停留在准确计算上是肯定不够的，更多研究者也在寻找阀门结构变化、内部压力变化等因素与应力、应变之间的影响规律，进而用于指导更先进的球阀设计。易先中等[6]把阀体单边开孔、双