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不同壓降下調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的分析

李跟飛*張韶宇周世豪余巍
（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所)

摘要以理想氣體為調(diào)節(jié)閥的流動(dòng)介質(zhì)，通過三維建模軟件建立調(diào)節(jié)閥及其內(nèi)部流場的模型，并通過ANSYSWorkbench軟件對調(diào)節(jié)閥不同壓降和不同開度下的三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到調(diào)節(jié)閥的流動(dòng)特性參數(shù)，并生成調(diào)節(jié)閥流量特性曲線。對模擬結(jié)果進(jìn)行分析，研究壓降對流量特性的影響，獲得了調(diào)節(jié)閥流量特性與壓降的關(guān)系。

關(guān)鍵詞調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬流動(dòng)特性壓降流量特性曲線流量系數(shù)

*李跟飛，男，1987年生，碩士，工程師。洛陽市，471003。

0　概述

隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，各種輸氣和輸液管道系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。閥門在這些管道系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，用來控制流體的流動(dòng)方向、流量大小和壓差大小。調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)化技術(shù)中最常見的執(zhí)行元件之一，廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)部門。調(diào)節(jié)閥又稱控制閥，它是過程控制系統(tǒng)中用動(dòng)力操作去改變流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門部件兩部分組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)起推動(dòng)作用，而閥起調(diào)節(jié)流量的作用[1]。本文通過ANSYSWorkbench軟件（Fluent分析模塊）數(shù)值模擬某一種型號調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流體的流量、壓力等物理量變化情況，分析調(diào)節(jié)閥的流量特性，并將實(shí)際流量特性與等百分比流量特性進(jìn)行對比。

常用的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)節(jié)閥種類繁多，結(jié)構(gòu)多種多樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且調(diào)節(jié)閥的類型和結(jié)構(gòu)還在不斷地變化和更新。因此以往的試驗(yàn)結(jié)果歸納總結(jié)出來的公式、系數(shù)只能適合幾種常見類型，用來估算閥門內(nèi)部的流動(dòng)特性誤差較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算的發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對流體流動(dòng)進(jìn)行模擬仿真分析，已經(jīng)成為一種普遍應(yīng)用的工程分析技術(shù)[2]。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展為人們很好地了解閥門內(nèi)部流體的流動(dòng)情況提供了很好的途徑。

圖1　調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)

1　數(shù)學(xué)模型的建立

在流體運(yùn)動(dòng)中遵循三個(gè)最基本的守恒方程，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。通過網(wǎng)格劃分就可以把流體模型劃分成多個(gè)控制體，對于每一個(gè)控制體運(yùn)用流體運(yùn)動(dòng)的三個(gè)基本方程進(jìn)行模擬計(jì)算和分析[3-4]。

連續(xù)性方程的微分形式為：

連續(xù)性方程又稱質(zhì)量守恒方程，該方程可用于可壓流動(dòng)和不可壓流動(dòng)。

動(dòng)量守恒方程為：

式中p——靜壓；

τij——應(yīng)力張量，其表達(dá)式為

gi——i方向上的重力體積力；

Fi——i方向上的外部體積力。

能量守恒方程為：

式中keff——有效熱導(dǎo)系數(shù)；

Jj′——組分j′的擴(kuò)散通量；

Sh——化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源。

其中，keff=kt+k。方程右邊前三項(xiàng)為導(dǎo)熱項(xiàng)、組分?jǐn)U散項(xiàng)和黏性耗散項(xiàng)。

2　調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)建模與網(wǎng)格劃分

2.1調(diào)節(jié)閥流道的結(jié)構(gòu)建模

本文采用某型號調(diào)節(jié)閥，運(yùn)用三維建模軟件建立調(diào)節(jié)閥的實(shí)體模型，通過布爾運(yùn)算抽取調(diào)節(jié)閥及加長管道部分。為了更好更準(zhǔn)確地模擬閥體內(nèi)部流動(dòng)情況，對閥出口管段進(jìn)行加長，加長管道的長度大約為250 mm（約為管道直徑的5倍）。圖2所示為調(diào)節(jié)閥開度為10%時(shí)流道的剖面實(shí)體模型。

圖2　調(diào)節(jié)閥10%開度時(shí)流道剖面

2.2計(jì)算網(wǎng)格的劃分

將調(diào)節(jié)閥流道的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench（網(wǎng)格劃分）軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的前處理。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，建立流道模型的一半作為計(jì)算模型。為了提高計(jì)算精度和考慮數(shù)值計(jì)算對計(jì)算機(jī)的要求，在劃分網(wǎng)格時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。劃分后的網(wǎng)格數(shù)大約為5萬左右。設(shè)置邊界條件為壓力入口和壓力出口，流道模型剖面設(shè)置為對稱面邊界。調(diào)節(jié)閥開度為10%的流道網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3　調(diào)節(jié)閥流道網(wǎng)格

3　數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

3.1邊界條件設(shè)置

將處理后的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent分析模塊，并進(jìn)行邊界條件和流體屬性設(shè)置，選擇合適的求解方程及模型。設(shè)置流體屬性為ideal-gas，流體屬性參數(shù)保持默認(rèn)值。設(shè)置入口和出口壓力，使得壓差分別為0.4 MPa、0.55 MPa、0.66 MPa、0.7 MPa，并分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。湍流模型選用Spalart-Allmaras湍流模型（S-A方程湍流模型）。S-A方程湍流模型常用于大梯度和近壁氣體流動(dòng)的數(shù)值模擬。不同開度和不同壓差下的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。

3.2流量系數(shù)的結(jié)果分析

從表1可以看出，在同一壓差條件下，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨開度的增加而增大，開度越大調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)也越大，當(dāng)調(diào)節(jié)閥為全開狀態(tài)時(shí)流量系數(shù)最大。在同一開度條件下，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨著壓差的增大而增大，進(jìn)出口壓差越大調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)也越大。從圖4可以看出，不同壓差下調(diào)節(jié)閥流量特性曲線吻合較好，流量特性基本一致。在開度較小時(shí)，由于調(diào)節(jié)閥前后的壓差作用，調(diào)節(jié)閥的流量會呈現(xiàn)快速增長的趨勢，從而使得流量系數(shù)在小開度時(shí)增長較快。在開度較大時(shí)，調(diào)節(jié)閥流量基本趨于穩(wěn)定，流量系數(shù)的增長較慢緩。在開度小于60%時(shí)，調(diào)節(jié)閥的流量特性與等百分比流量特性趨勢基本一致；在開度較大時(shí)，與等百分比流量特性相比，調(diào)節(jié)閥流量特性有下降趨勢。

表1　不同開度和不同壓差下數(shù)值模擬的流量系數(shù)值

圖4　不同壓差下的流量系數(shù)與等百分比流量特性曲線對比

4　數(shù)值模擬結(jié)果分析

對開度為50%時(shí)調(diào)節(jié)閥在不同壓差下的流場進(jìn)行分析。選取不同壓差下的壓力云圖和壓差為0.4 MPa、0.6 MPa的速度等值線圖進(jìn)行分析。從圖5~圖7可以看出，壓力和速度變化最大的地方出現(xiàn)在閥芯啟閉的部位。在閥門出口的拐角處也出現(xiàn)了明顯的壓力和速度值的變化，該處壓力和速度值的變化是由于產(chǎn)生渦漩造成的。在閥門的進(jìn)出口位置和閥腔內(nèi)流體流動(dòng)比較均勻，壓力和速度值保持恒定。流體的最大流速還與閥的前后壓差成正比關(guān)系，隨調(diào)節(jié)閥前后壓差的增大而增大，并且調(diào)節(jié)閥的最大速度出現(xiàn)在閥芯啟閉部位。由能量守恒可知，在閥門壓力大的地方流體的流速相對較小，流體流速最大的部位流體壓力值最小。

圖5　不同壓差下的壓力云圖

圖6　0.4 MPa壓差時(shí)的速度等值線圖

圖7　0.6 MPa壓差時(shí)的速度等值線圖

5　結(jié)論

由上述分析結(jié)果可知，調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)隨調(diào)節(jié)閥開度和壓差的增加而呈現(xiàn)出增長的趨勢。在同一開度下，調(diào)節(jié)閥壓差的改變對調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)值的變化影響不大。調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)隨開度變化的變化量很小。

從壓力云圖和速度等值線圖可以看出，調(diào)節(jié)閥壓力與速度增長成反比的關(guān)系，壓力大的地方速度值較小。由能量守恒知，當(dāng)壓力增大時(shí)，速度會相應(yīng)地減小，速度較小的地方壓力值相應(yīng)地較大。在閥芯閥座處，由于節(jié)流作用而在附近產(chǎn)生縮流，該處流體速度增大，但靜壓減小。

參考文獻(xiàn)

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[3]潘永成，王勇，謝玉東.基于CFD的調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場流動(dòng)特性研究[J] .機(jī)床與液壓，2011，39（1）：5-7.

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Analysis of the Flow Coefficient of Control Valve under Different Pressure Drops

Li Genfei Zhang Shaoyu Zhou Shihao Yu Wei

Abstract：The model of the control valve and its internal flow field are established through the threedimensional modeling software with the ideal gas as the flow medium of the control valve.Meanwhile the numerical simulations of the three-dimensional flow field under different pressure drops and openings are carried out through the ANSYSWorkbench software so that the flowing characteristic parameters and the flow characteristic curve of the control valve are obtained.The simulation results show the relationship between the flow characteristic and pressure drop of control valve.

Key words：Control valve; Numerical simulation; Flow characteristic; Pressure drop; Flow characteristic curve; Flow coefficient

收稿日期：（2015-06-11）

中圖分類號TQ 055.8

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.012