上海滬工閥門廠（集團）有限公司
摘要：以角式調(diào)節(jié)閥為研究對象，應用計算流體力學軟件 FLUENT 對其內(nèi)部流場進行了三維數(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流閉型可顯著提高流量系數(shù)。
關鍵詞：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)自動化調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。隨著電子計算機的迅猛發(fā)展，計算流體力學（CFD）數(shù)值模擬的優(yōu)越性越來越明顯，我們運用 CFD 通用軟件 FLUENT 對一種角式調(diào)節(jié)閥進行了三維數(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，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 軟件生成計算網(wǎng)格（見圖 2)。閥體內(nèi)腔的形狀和流動狀態(tài)較復雜，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由 GAMBIT 自帶的 TGrid 程序劃分，整個流道網(wǎng)格數(shù)為 113625 個。
2 計算結(jié)果及分析
所求解的基本方程是三維不可壓 N-S 方程，湍流模型采用標準 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系來表示，衡量閥門流通能力的指標是流量系數(shù) Kv，流量系數(shù)計算的一般形式為
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）
通過計算可得到閥門理論流量特性曲線；應用 FLUENT 對不同開度的流道模型進行數(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，而實際中的閥門，局部阻力和流態(tài)會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雜，很難找出確定的規(guī)律，所以通過理論公式計算得出的理論流量特性曲線與實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驗結(jié)果更加貼近。因此 FLUENT 軟件適合分析閥門內(nèi)部流場，可用來對流場進行進一步分析研究。
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（即底進側(cè)出）流向。在進口壓力為 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，進口的壓力和速度都比較均勻；當水流通過閥芯與閥座之間的節(jié)流處時，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。應用 FLUENT 軟件對該閥門全開流道模型進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，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% 開度時流量系數(shù)已不再提高。這是因為，閥門大開度時，流開型流向漩渦處流體的速度大，則動能大，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)的理論計算和數(shù)值模擬，證明用計算流體力學軟件所得到的模擬結(jié)果與理論計算基本一致。這將有助于閥門的優(yōu)化設計，縮短設計周期，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，流量系數(shù)提高顯著。工程實際中，若閥門經(jīng)常處于較大開度工作時，選擇流閉型的安裝流向，能更好地提高流量系數(shù)。