上海滬工閥門廠（集團(tuán)）有限公司
摘要：以角式調(diào)節(jié)閥為研究對象，應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件 FLUENT 對其內(nèi)部流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，得到了流量特性曲線及流道內(nèi)的速度場、壓力場分布。通過不同流向和開度的對比分析，表明此類閥門在大開度時(shí)流閉型可顯著提高流量系數(shù)。
關(guān)鍵詞：角式調(diào)節(jié)閥；流向；流量特性；數(shù)值模擬
調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動(dòng)化調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。隨著電子計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬的優(yōu)越性越來越明顯，我們運(yùn)用 CFD 通用軟件 FLUENT 對一種角式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，通過一系列開度下的流量模擬得到了該閥的流量特性曲線，并直觀地顯示出不同流向狀態(tài)下閥門流道內(nèi)部的速度壓力分布和漩渦分布情況，由此進(jìn)一步分析流向?qū)鞘秸{(diào)節(jié)閥流量特性的影響。
1 角式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分
圖 1 角式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)剖視（1 閥桿；2 上閥蓋；3 閥芯；4 閥座；5 閥體）
某一型號(hào)角式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)剖視如圖 1 所示。它由閥桿、上閥蓋、閥芯、閥座和閥體等零部件構(gòu)成。閥體通道成直角，故稱為角式調(diào)節(jié)閥。它具有流通量大、自潔性好等優(yōu)點(diǎn)，適合閥前后壓差不大的高粘流體并要求直角配管的場合。所采用的角式調(diào)節(jié)閥公稱通徑為 25mm，公稱壓力 1.6MPa，理想流量特性為直線特性，額定流量系數(shù)為 15m2，閥芯行程 16mm，可調(diào)比 R=50。
圖 2 模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)剖視圖
利用 SolidWorks 三維實(shí)體建模軟件，對圖 1 所示的閥腔流道建模，并用 FLUENT 的前處理器 GAMBIT 軟件生成計(jì)算網(wǎng)格（見圖 2)。閥體內(nèi)腔的形狀和流動(dòng)狀態(tài)較復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由 GAMBIT 自帶的 TGrid 程序劃分，整個(gè)流道網(wǎng)格數(shù)為 113625 個(gè)。
2 計(jì)算結(jié)果及分析
所求解的基本方程是三維不可壓 N-S 方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn) κ-ε 模型。離散方程的求解方法采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的 SIMPLE 算法，二階迎風(fēng)格式。速度壓力場采用隱式的全場迭代解法。閥門內(nèi)的流質(zhì)為水，邊界條件規(guī)定壓力進(jìn)口和壓力出口。
2.1 流量特性分析
閥門的流量特性通常以相對流量與相對開度的關(guān)系來表示，衡量閥門流通能力的指標(biāo)是流量系數(shù) Kv，流量系數(shù)計(jì)算的一般形式為
其中 Kv 為流量系數(shù)，單位 m2；qv 為流量，單位 m3/h；ρ 為流體密度，單位 kg/m3；△P 為閥門的壓力損失，單位 Pa。
圖 3 調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線（◆ 理論流量特性，■ 模擬流流量特性）
通過計(jì)算可得到閥門理論流量特性曲線；應(yīng)用 FLUENT 對不同開度的流道模型進(jìn)行數(shù)值模擬，即可得到模擬流量特性曲線。2 曲線如圖 3 所示。從圖中可以看出，理論曲線與模擬曲線的趨勢是基本一致的。由于理論流量特性曲線是理想狀態(tài)下的期望特性，而實(shí)際中的閥門，局部阻力和流態(tài)會(huì)因閥門開度的改變而發(fā)生變化，且引起變化的因素非常復(fù)雜，很難找出確定的規(guī)律，所以通過理論公式計(jì)算得出的理論流量特性曲線與實(shí)際的模擬曲線有一定的偏差，但趨勢基本一致，并且模擬流量特性曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加貼近。因此 FLUENT 軟件適合分析閥門內(nèi)部流場，可用來對流場進(jìn)行進(jìn)一步分析研究。
2.2 流場分析
圖 4 壓力等值線（MPa）
圖 5 速度等值線（m/s）
工程中，角式調(diào)節(jié)閥通常選擇流開型（即底進(jìn)側(cè)出）流向。在進(jìn)口壓力為 1.6MPa，出口壓力為 1.5MPa 的條件下，該調(diào)節(jié)閥全開時(shí)對稱面上的壓力等值線和速度等值線如圖 4、圖 5 所示。從圖中可以看出，進(jìn)口的壓力和速度都比較均勻；當(dāng)水流通過閥芯與閥座之間的節(jié)流處時(shí)，由于流通面積突然減小，壓力減小，速度增大，并且靠近出口一側(cè)的節(jié)流處的速度要明顯大于另一側(cè)，即減壓增速效果明顯；水流通過節(jié)流處后流向出口，壓力和速度又趨向均勻。
2.3 流向分析
圖 6 流開型開度 100% 速度矢量
圖 7 流開型開度 30% 速度矢量
圖 8 流閉型開度 100% 速度矢量
閥門開度分別為 100% 和 30% 時(shí)流開型流向的對稱面速度矢量見圖 6 和圖 7。從兩圖中可以看出，在閥腔中背對出口的一側(cè)，都產(chǎn)生了明顯的漩禍，這會(huì)產(chǎn)生較大的能量損耗，增大阻力系數(shù)。這說明流開型易在閥腔內(nèi)產(chǎn)生漩渦，造成能量損失。應(yīng)用 FLUENT 軟件對該閥門全開流道模型進(jìn)行了流閉型流向的數(shù)值模擬，得到對稱面上的速度矢量如圖 8 所。從圖 8 可以看出，閥腔內(nèi)幾乎沒有漩渦，說明流閉型流向可大大避免漩渦的產(chǎn)生，減少能耗。
對不同開度的流道模型進(jìn)行流閉型流向的數(shù)值模擬，得到各開度下的流量系數(shù)見《表 1》。從表中可以看出，相同開度下，流閉型比流開型的流量系數(shù)明顯提高，全開開度時(shí)，流量系數(shù)提高了 15.3%。這是由于流閉型閥門流道內(nèi)沒有漩渦產(chǎn)生，減少了能量損耗，提高了流量系數(shù)。從表中還可以看出，隨著閥門開度的減小，流量系數(shù)提高的百分比也隨之減小，10% 開度時(shí)流量系數(shù)已不再提高。這是因?yàn)椋y門大開度時(shí)，流開型流向漩渦處流體的速度大，則動(dòng)能大，損失的能量多，而流閉型流向幾乎沒有漩禍產(chǎn)生的能量損失，所以流量系數(shù)提高明顯。隨著閥門開度的逐漸減小，流體速度減小，流開型損失的能量也隨之減小，因而 2 種流向的流量系數(shù)逐漸趨于相等。
| 開度 / % | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 流開型 / m2 | 1.73 | 4.57 | 6.98 | 9.36 | 11.20 | 12.24 | 13.14 | 13.97 | 14.69 | 15.30 |
| 流閉型 / m2 | 1.73 | 4.68 | 7.56 | 10.08 | 12.24 | 13.50 | 15.05 | 15.84 | 16.81 | 17.64 |
| 提高百分比 / % | — | 2.40 | 8.30 | 7.70 | 9.30 | 10.30 | 14.50 | 13.40 | 14.40 | 15.30 |
3 結(jié)論
（1）通過對閥門流量系數(shù)的理論計(jì)算和數(shù)值模擬，證明用計(jì)算流體力學(xué)軟件所得到的模擬結(jié)果與理論計(jì)算基本一致。這將有助于閥門的優(yōu)化設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)省大量成本。
（2）角式調(diào)節(jié)閥通常選用的流開型流向會(huì)在閥腔內(nèi)產(chǎn)生漩渦，造成能量損耗。而流閉型流向可避免漩渦產(chǎn)生，減少能耗。
（3）角式調(diào)節(jié)閥選擇流閉型可相對提高流量系數(shù)，尤其在閥門大開度時(shí)，流量系數(shù)提高顯著。工程實(shí)際中，若閥門經(jīng)常處于較大開度工作時(shí)，選擇流閉型的安裝流向，能更好地提高流量系數(shù)。