武世敏，周維琴，石月娟，李明濱，王燕昌

(1.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021;2.長(zhǎng)慶油田第三采油廠數(shù)字化與科技信息中心，寧夏銀川750021;3.吳忠儀表有限責(zé)任公司，寧夏吳忠751100;4.寧夏大學(xué)新能源研究中心，寧夏銀川750021;5.寧夏大學(xué)物理電氣信息學(xué)院，寧夏銀川750021)

0 前言

迷宮式調(diào)節(jié)閥主要應(yīng)用于石油工業(yè)、大型電站的鍋爐等運(yùn)行條件較為惡劣的工況下［1-2］，是非常主要的流量控制壓力控制元件之一。另外該閥門也屬于多級(jí)降壓閥，可以將高溫高壓的液體逐級(jí)降壓，并且在每一級(jí)降壓過(guò)程中不會(huì)發(fā)生氣蝕現(xiàn)象，當(dāng)其處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，應(yīng)能承受高達(dá)42 MPa 甚至更高的靜壓差。對(duì)于迷宮式調(diào)節(jié)閥的在工程中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外有很多學(xué)者在流量特性與控制性能之間的關(guān)系方面進(jìn)行了大量的研究工作［3-7］。此外，還有一些學(xué)者建立了不同的數(shù)學(xué)模型來(lái)研究調(diào)節(jié)閥的流量特性［8-10］。以下作者對(duì)某一類迷宮式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行了建模，首先對(duì)其不同開(kāi)度下流通特性分別進(jìn)行模型試驗(yàn)，分析流體在流道中的壓力分布特性;其次模擬100%開(kāi)度下閥前后壓差和流過(guò)該閥的流量之間的關(guān)系，從而為此類閥門的整體設(shè)計(jì)提供重要的參考。

1 結(jié)構(gòu)模型和內(nèi)部流場(chǎng)模型

在該研究中，采用某一型號(hào)套筒迷宮式調(diào)節(jié)閥，公稱通徑為25 mm，公稱壓力為ANSI2500。流體從側(cè)端進(jìn)入，底端流出。通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯桿的行程，可以改變套筒部件的流通面積，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。利用SolidWorks 三維建模軟件，根據(jù)閥門各個(gè)零部件的幾何尺寸和裝配關(guān)系，對(duì)流體流過(guò)的通道進(jìn)行三維幾何建模，針對(duì)不同開(kāi)度分別建模。調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為100%的幾何實(shí)體模型如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)閥100%開(kāi)度流道示意圖

由于研究閥門的內(nèi)部流場(chǎng)和特性，最核心的部分是套筒部件，所以為了簡(jiǎn)化網(wǎng)格劃分和降低計(jì)算機(jī)計(jì)算的占用內(nèi)存，可以把圖1 的1、2、4、5 部分略去，只研究套筒部件的流通特性。所得最后所研究的流道模型如圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化后100%流道示意圖

2 網(wǎng)格劃分

將以上簡(jiǎn)化后的三維幾何實(shí)體模型導(dǎo)入前處理網(wǎng)格劃分軟件Gambit 里進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，確定計(jì)算域、入口邊界、出口邊界。在該算例中，流道網(wǎng)格劃分采用的是混合六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格間距設(shè)為1，劃分后網(wǎng)格數(shù)為111 萬(wàn)左右。開(kāi)度為100%的流道模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

設(shè)定的進(jìn)口和出口的邊界條件分別為壓力進(jìn)口和壓力出口，針對(duì)不同開(kāi)度(共10 個(gè))進(jìn)行同樣的網(wǎng)格劃分操作，得到不同開(kāi)度下的網(wǎng)格Mesh 文件。

圖3 調(diào)節(jié)閥流道網(wǎng)格劃分示意圖

3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果及分析

在CFX-Pre 里將前處理軟件Gambit 導(dǎo)出的網(wǎng)格Mesh 文件讀入CFX 后，設(shè)置流體物性為水，設(shè)置入口、出口壓力邊界條件，進(jìn)行流場(chǎng)初始化，設(shè)定控制參數(shù)、定義迭代次數(shù)，設(shè)置結(jié)果文件導(dǎo)出的位置;在CFX-Solver Manager 操作就可以進(jìn)行計(jì)算求解;最后在CFD-Post 里查看求解結(jié)果。

3.1 全開(kāi)時(shí)流場(chǎng)模擬仿真分析

根據(jù)GB4213-2008-T 氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)進(jìn)出口壓差為2.891 21 MPa 條件下，對(duì)該迷宮式調(diào)節(jié)閥的流道和對(duì)稱面進(jìn)行分析，研究其內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況，流道對(duì)稱面上壓力分布云圖以及速度等值線圖如圖4、5所示。

圖4 XY 平面和YZ 平面壓力云圖

圖5 XY 面和YZ 面上速度矢量圖

從圖4 可以看出，壓力階梯壓降較為明顯，分別為3.891 21 MPa 和1 MPa 左右，進(jìn)出口壓差較大，流道的壓降主要用于克服調(diào)節(jié)閥節(jié)流元件的阻力。從圖5 可以看出，進(jìn)出口流速比較均勻，進(jìn)口平均速度為12.648 8 m/s，出口平均速度為16.511 8 m/s。由于水流流至套筒部件的節(jié)流元件里，根據(jù)連續(xù)性方程，流通面積急速下降，速度變大，最大達(dá)到47.781 1 m/s，此時(shí)的壓力也隨之迅速降低。

3.2 不同開(kāi)度下的流通特性仿真

不同開(kāi)度下同理全開(kāi)的模擬仿真過(guò)程，數(shù)值模擬后，記錄閥前后壓力，并求得相應(yīng)開(kāi)度下的壓差和流量值，根據(jù)公式

Q為體積流量，m3/h;

Fl為壓力恢復(fù)系數(shù)，取0.99;

Δp為壓差，100 kPa。

計(jì)算得不同開(kāi)度下Cv值見(jiàn)表1所示，將不同開(kāi)度下流量模擬所得的流量和壓差可計(jì)算得相應(yīng)開(kāi)度的流量系數(shù)Cv值，繪制的流通特性曲線如圖6所示。由流量特性曲線的圖像可知該閥的流通特性是線性的。

表1 不同開(kāi)度下仿真的結(jié)果

圖6 流量特性曲線

3.3 定開(kāi)度壓差和流量的關(guān)系仿真

定開(kāi)度下研究壓差和流量的關(guān)系，設(shè)定全開(kāi)條件下，閥前壓力不斷增加，閥后壓力保持不變，仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 全開(kāi)度壓差和流量仿真結(jié)果

從表2 可以看出，計(jì)算所得流量系數(shù)Cv值的結(jié)果5.05 左右，而且誤差相對(duì)較小。根據(jù)壓差和仿真所得的質(zhì)量流量繪制的曲線如圖7所示。從該壓差、流量曲線也可以看出，質(zhì)量流量隨著進(jìn)出口壓差的增大而增大，并且也基本符合線性關(guān)系。

圖7 壓差-流量關(guān)系曲線

4 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的數(shù)值模擬及仿真獲得以下結(jié)論與展望:

(1)在壓降幾乎相等或變化不大時(shí)，閥門開(kāi)度越大，對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量也越大，是因?yàn)殚y門開(kāi)度越大，流通面積越大，因而流量也越大。壓降主要是集中在套筒部件的節(jié)流元件節(jié)流處，并且逐級(jí)減弱，第一級(jí)壓降最多。

(2)在同一開(kāi)度下，流量隨著進(jìn)出口壓降的增大而增大，基本符合線性流量特性。

(3)通過(guò)數(shù)值模擬，得出迷宮式調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場(chǎng)的三維可視化結(jié)果，為此類調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)、流道優(yōu)化以及新產(chǎn)品的研發(fā)提供可靠詳細(xì)依據(jù)。進(jìn)一步對(duì)流道中旋渦部位進(jìn)行流道優(yōu)化，對(duì)降低流體流過(guò)調(diào)節(jié)閥的能量損失，提高能源利用率、提高產(chǎn)品研發(fā)周期具有十分重要的意義。

(4)由于研究條件有限，作者僅僅對(duì)調(diào)節(jié)閥門內(nèi)部流場(chǎng)的研究主要集中在改變閥前后壓力及閥門的開(kāi)度來(lái)影響流量。在條件允許的情況下，希望可以對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥閥體內(nèi)部壓力、速度分布作進(jìn)一步研究，也可以把邊界設(shè)置為流量和進(jìn)口壓力或出口壓力來(lái)研究。從而更量化地揭示出流場(chǎng)高速區(qū)對(duì)閥門性能參數(shù)的影響。

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