高佳男，李國占，羅獻(xiàn)堯，張洪軍

（1.中國計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測試工程學(xué)院，杭州 310018；2.浙江愛力浦科技股份有限公司，浙江臺州 317100）

0 引言

流量調(diào)節(jié)閥在工業(yè)過程控制和試驗(yàn)室流體裝置上應(yīng)用廣泛。常見的調(diào)節(jié)閥的流量特性有4種［1］，即直線型、等百分比型（對數(shù)型）、快開型、拋物型（見圖1）。其中，等百分比型調(diào)節(jié)閥流量小時(shí)流量變化慢，流量大時(shí)流量變化快，也就是在不同開度上具有相同的調(diào)節(jié)精度，具有小流量可精細(xì)調(diào)節(jié)、大流量可快速調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，適用于對于調(diào)節(jié)性能要求較高的專用流動測量裝置上。由于調(diào)節(jié)閥實(shí)際工作時(shí)流量調(diào)節(jié)特性與管路阻力特性相關(guān)，理想的調(diào)節(jié)特性很難達(dá)到。在各類調(diào)節(jié)閥中軸流式調(diào)節(jié)閥（也稱套筒閥）有調(diào)節(jié)比寬、調(diào)節(jié)平穩(wěn)、對流動擾動小等特點(diǎn)，在有較高調(diào)節(jié)特性要求的應(yīng)用中具有優(yōu)勢。

目前已有的軸流式流量調(diào)節(jié)閥產(chǎn)品以及相關(guān)研究中工作介質(zhì)主要以液體為主［2-5］，調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)大同小異。在實(shí)際工程中，這種流量調(diào)節(jié)閥應(yīng)用還不是很廣，在油氣輸運(yùn)管線中偶爾能發(fā)現(xiàn)軸流閥的應(yīng)用［6］。對于適用于中小口徑低壓氣體流量調(diào)節(jié)的軸流式調(diào)節(jié)閥目前還缺乏研究，未見相關(guān)產(chǎn)品。

圖1 流量調(diào)節(jié)特性曲線

在閥門、泵和風(fēng)機(jī)等流體機(jī)械研發(fā)工作中，流體力學(xué)數(shù)值計(jì)算（CFD）方法使用已非常普遍。CFD方法具有成本低、速度快、能夠提供流場細(xì)，節(jié)的特點(diǎn)，在調(diào)節(jié)閥流動特性研究中也有很多應(yīng)用。許洪斌等［7］對一種滑板式調(diào)節(jié)閥進(jìn)行數(shù)值模擬得到其流量特性曲線和流阻數(shù)據(jù)。馮衛(wèi)民等［8］對網(wǎng)孔型套筒閥的流量特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。張婷等對套筒閥的窗口設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究［9-18］。

本文針對一種小口徑軸流式低壓氣體流量調(diào)節(jié)閥的流動特性進(jìn)行仿真，主要的目的是獲得調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場、流量調(diào)節(jié)特性曲線，評價(jià)其流量調(diào)節(jié)特性。

1 新型軸流式流量調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

1.1 閥門總體結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)工作的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一款具有等百分比流量調(diào)節(jié)特性的軸流式氣體流量調(diào)節(jié)閥。軸流式調(diào)節(jié)閥由閥體、閥芯、閥桿、活塞、套筒、尾部整流罩、手輪等組成，如圖2所示。套筒后半段開有變截面的縱向條形孔，活塞安裝在閥芯上，閥芯為螺紋絲杠，閥芯和閥桿通過90°錐形齒輪傳動。閥門工作時(shí)，流體左側(cè)流入，右側(cè)流出。轉(zhuǎn)動閥桿，帶動閥芯沿軸向前后移動，改變活塞和套筒的相對位置控制閥門的開度。變截面條形孔的設(shè)計(jì)使得閥門具有接近等百分比的調(diào)節(jié)特性。流體在流經(jīng)閥門過程中基本沿軸向流動，尾部整流罩避免了流動漩渦區(qū)，使得流動更加平順穩(wěn)定。

圖2 軸流式流量調(diào)節(jié)閥示意

與傳統(tǒng)軸流式套筒閥相比，該新型軸流式流量調(diào)節(jié)閥不同之處是采用了開有變面積條形孔的套筒和尾部整流罩。變截面積條形孔使得流量調(diào)節(jié)保證具有等百分比特性的同時(shí)，調(diào)節(jié)更加連續(xù)、平穩(wěn)；尾部整流罩使得調(diào)節(jié)閥下游流動擾動小，減小閥門引起的管道振動和噪聲。

1.2 等百分比流量調(diào)節(jié)閥流量特性

調(diào)節(jié)閥的流量特性是指通過調(diào)節(jié)閥的流體相對流量和相對開度之間的關(guān)系，即：

式中Q——某一開度下流量；

Qmax——最大流量；

l——閥芯位移；

L——閥芯最大位移。

等百分比型調(diào)節(jié)閥指的是閥門開度變化與流量在行程（位移）的每一點(diǎn)上單位行程變化所引起的流量的變化與此點(diǎn)的流量成正比，流量變化的百分比是相等的，即：

積分得：

式中K——系數(shù)；

C——積分常數(shù)。

可見，相對流量與相對開度之間是對數(shù)關(guān)系。根據(jù)邊界條件：l=0時(shí)，Q=Qmin；l=L時(shí)，Q=Qmax，可得：

式中R——調(diào)節(jié)閥的可調(diào)比系數(shù)，調(diào)節(jié)閥所能控制的最大流量與最小流量的比值；Qmin——閥門能平穩(wěn)控制的最小流量，即l=0時(shí)對應(yīng)的流量，一般約為最大流量的2%～4%。

1.3 調(diào)節(jié)閥流動特性

調(diào)節(jié)閥在整個(gè)系統(tǒng)中是一個(gè)阻力可變的元件，其流通面積的改變導(dǎo)致局部阻力系數(shù)變化。假定調(diào)節(jié)閥水平安裝，閥門全開時(shí)流通面積為A，某一開度下的流通面積為Ar，閥前后的壓降為ΔP=（P1-P2），流體密度為ρ，流量為Q，管道內(nèi)平均流速為V，則調(diào)節(jié)閥前后的壓差：

式中ζ——閥門流阻系數(shù)。

ζ可用下式近似表示：

式中ζ0——閥門全開情況下的阻力系數(shù)。

式（6）右側(cè)第二項(xiàng)是由于閥門未全開帶來的額外局部阻力導(dǎo)致的阻力系數(shù)。

由式（5）（6）可得平均流速。

調(diào)節(jié)閥某一開度下的流量：

令流量系數(shù)：

調(diào)節(jié)閥全開時(shí)：

如果設(shè)定閥門總壓降恒定，流體不可壓，相對流量系數(shù)：

由式（4）（11）有：

由式（6）（11）（12）可得：

所設(shè)計(jì)閥門公稱直徑為DN50，管道內(nèi)徑D=50 mm，取閥門全開時(shí)閥口面積為管道流通面積的1.05倍，則A=2 060.6 mm2。根據(jù)預(yù)仿真結(jié)果，ζ0≈3.0，取可調(diào)比R=30，可計(jì)算得到各個(gè)閥門開度下閥口面積Ar，數(shù)值見表1。

表1 閥門開度和閥口面積

設(shè)計(jì)閥套長條孔為10個(gè)，閥芯行程L=40 mm，條形孔尺寸如圖3所示。

圖3 條形孔尺寸

2 計(jì)算仿真

計(jì)算仿真針對調(diào)節(jié)閥公稱直徑為DN50，D=50 mm，閥體長度為220 mm。計(jì)算區(qū)域包括調(diào)節(jié)閥及其上游3D和下游10D（見圖4）。調(diào)節(jié)閥內(nèi)部忽略閥桿、閥芯、齒輪、固定件等結(jié)構(gòu)。

圖4 軸流式流量調(diào)節(jié)閥三維實(shí)體網(wǎng)格

利用前處理軟件ICEM劃分三維網(wǎng)格?？紤]到計(jì)算精度，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格結(jié)合的方法，閥門的上游入口端采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，模型的流通孔處采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并進(jìn)行局部加密處理（見圖4），總網(wǎng)格數(shù)量為300萬左右，網(wǎng)格的質(zhì)量在0.4以上。

采用FLUENT軟件進(jìn)行流動數(shù)值模擬?？紤]調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動比較復(fù)雜，計(jì)算時(shí)在定場條件下，用不可壓縮流動的雷諾方程組與標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程組構(gòu)成封閉的方程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，壓力速度耦合基于SIMPLEC算法，基于有限體積求解控制方程。均采用二階迎風(fēng)差分格式，計(jì)算收斂后采用大渦（LES）模型。大渦模擬是介于直接模擬和雷諾平均方程之間的一種模擬方法，其基本思想是把包括脈動在內(nèi)的湍流瞬時(shí)移動和小尺度運(yùn)動，大尺度運(yùn)動通過求解N-S方程直接求解出來，小尺度通過亞網(wǎng)格尺度模型，建立與大尺度渦的關(guān)系進(jìn)行模擬，非定常流動。流動介質(zhì)為水。入口條件為速度入口，出口為自由出口。

計(jì)算中流速工況取6，18，30 m/s 3種。每個(gè)流速下，計(jì)算從10%～100%之間10個(gè)閥門開度下的流場。

3 計(jì)算結(jié)果與討論

3.1 調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場

圖5示出了閥門開度分別為20%，50%，100%時(shí)縱向截面調(diào)節(jié)閥及其下游流場流線，流速V=30 m/s，圖5（a）顯示，開度比較小時(shí)，流體流經(jīng)節(jié)流孔阻滯作用較大，出口流動相當(dāng)于射流作用，因此在出口形成明顯的流動漩渦，對流動擾動較大。隨著開度的增大（見圖5（b）（c）），阻滯作用逐漸變小，下游旋渦有所減弱。3種情況在距離下游3D左右的位置流動已經(jīng)相對平穩(wěn)。

圖5 不同開度下調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流線（v=30 m/s）

圖6示出了40%閥門開度下，流速6，18，30 m/s時(shí)縱向截面內(nèi)流線。圖6（a）顯示，流速較小時(shí)流體流經(jīng)節(jié)流孔后，漩渦相對較弱，流動在下游很快恢復(fù)平穩(wěn)流動；隨著流動流速增大（見圖6（b）（c）），調(diào)節(jié)閥下游出現(xiàn)較大、較強(qiáng)漩渦，流速越大漩渦影響區(qū)域越大，達(dá)到穩(wěn)定流動的距離增加。各種流速情況來看，旋渦影響區(qū)域相對不大，距離下游3D位置流動已趨于平穩(wěn)。

圖6 不同速度下調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流線

圖5，6流場流線顯示，在尾部整流罩區(qū)域，總體上流動沿整流罩流向下游，盡管也會產(chǎn)生漩渦，但比一般后臺階流動（相當(dāng)于不加裝流線型尾部整流罩）要緩和很多，這種流線型后整流罩起到了減小流動擾動的作用。

3.2 調(diào)節(jié)閥流量特性

由式（9）可以得到流量系數(shù)：

調(diào)節(jié)閥計(jì)算仿真可以提供各工況下的流量Q和調(diào)節(jié)閥上下游之間的壓降ΔP，流體密度ρ已知，因此可以由式（14）計(jì)算得出流量系數(shù)，以及各工況的相對流量系數(shù)。根據(jù)6，10，18 m/s 3種相對流量系數(shù)RKV的計(jì)算結(jié)果繪制相對流量系數(shù)與相對開度關(guān)系曲線，如圖7所示。由圖7可見，4個(gè)流速工況下計(jì)算得到的相對流量系數(shù)大部分相互偏差不大，與設(shè)計(jì)曲線也比較吻合，一定程度上說明設(shè)計(jì)中所采用的計(jì)算方法是正確、可行的。

圖7 相對流量系數(shù)與相對開度的關(guān)系

從圖7可以看出，在較小開度的幾個(gè)點(diǎn)，計(jì)算仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)曲線基本一致，不同流速工況下計(jì)算結(jié)果相互重疊，說明所設(shè)計(jì)的這款軸流式流量調(diào)節(jié)閥在較低流量范圍調(diào)節(jié)性能平穩(wěn)，這對于在較大工作大范圍內(nèi)流量的精細(xì)調(diào)節(jié)是非常重要的。

圖7中橫坐標(biāo)對應(yīng)的l/L為0.5，0.7，0.9等處點(diǎn)不同流速的相對流量系數(shù)計(jì)算仿真數(shù)據(jù)相互有些分散，0.9數(shù)據(jù)點(diǎn)仿真數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值有所偏離。造成這種情況的原因是計(jì)算仿真的計(jì)算誤差，由于調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動為復(fù)雜湍流，計(jì)算仿真采用了大渦模擬模型和非定常流動，各次計(jì)算中判斷收斂存在一定偏差。此外，調(diào)節(jié)閥下游取壓位置還存在一定的漩渦流動，不同開度情況下流動壓力恢復(fù)程度不一致，由此帶來計(jì)算仿真數(shù)據(jù)相互之間的偏差，也可能造成如l/L=0.9處所對應(yīng)的系統(tǒng)性偏差。

4 結(jié)論

（1）軸流式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，套筒采用長條形變截面開孔，實(shí)現(xiàn)等百分比調(diào)節(jié)特性；調(diào)節(jié)閥尾部設(shè)計(jì)有整流罩以減小閥門對流動的干擾。

（2）推導(dǎo)了軸流式等百分比調(diào)節(jié)閥相對流量系數(shù)與相對閥門開度的關(guān)系式，據(jù)此進(jìn)行了閥套條形孔形狀和尺寸設(shè)計(jì)。

（3）調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動流線圖顯示，同樣流量情況下，閥門開度小時(shí)，調(diào)節(jié)閥下游形成較大漩渦，流動較為復(fù)雜，閥門開度增大，調(diào)節(jié)閥下游漩渦減弱；同樣閥門開度下，流速越高，漩渦越強(qiáng)，下游達(dá)到穩(wěn)定的距離越長。各種情況下，調(diào)節(jié)閥下游3D左右流動已經(jīng)比較平順。

（4）計(jì)算仿真得到的相對流量系數(shù)與設(shè)計(jì)曲線比較吻合，證明設(shè)計(jì)計(jì)算是正確的。較小的幾個(gè)閥門開度情況下，計(jì)算與設(shè)計(jì)有很好的重合度，說明所設(shè)計(jì)閥門具有良好的調(diào)節(jié)特性。

本文研究結(jié)果可以為等百分比軸流式流量調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)提供參考。