魏東坡，趙宏霞，孟凡召

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；2.山東華宇工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

0 引言

工程設(shè)計(jì)中，常規(guī)的閥門通常用于開(kāi)關(guān)控制，但隨著現(xiàn)階段第四次工業(yè)革命的到來(lái)，越來(lái)越多的精密、智能閥門應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)中。例如采油用閥門中，具有開(kāi)度控制閥門的需求量越來(lái)越大。閥門的智能化主要體現(xiàn)在流量智能控制上。通過(guò)查詢資料發(fā)現(xiàn)，閥門控制研究過(guò)程中通常使用流量系數(shù)值來(lái)表示閥門的流通特性。官夢(mèng)凡等人以DN50的核一級(jí)升降式止回閥為例，分析了不同閥瓣導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、閥瓣質(zhì)量及閥體閥瓣配合間隙對(duì)值的影響[1]。劉劍等人利用ANSYS軟件進(jìn)行了SHF-20A型四通換向閥的流場(chǎng)分析，并比較了模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果考察流道結(jié)構(gòu)變化對(duì)閥值的影響規(guī)律[2]。國(guó)外的閥門制造商在閥門生產(chǎn)過(guò)程中通常會(huì)提供相應(yīng)的閥門的值，但是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的粗放性和成本等因素導(dǎo)致對(duì)該參數(shù)的重視程度不夠。相關(guān)產(chǎn)品中提供具體值的較少，目前也未發(fā)現(xiàn)有關(guān)節(jié)流閥門值研究的資料。Fluent軟件是專業(yè)的流體分析軟件，黃川等人利用Fluent軟件開(kāi)展了易拉罐灌裝閥閥道流場(chǎng)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究[3]。為準(zhǔn)確掌握某一型號(hào)閥門的具體特性參數(shù)，利用Fluent流體分析軟件對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行分析以獲取其流量特性，并得到不同閥門開(kāi)度下的值。

1 閥門特征參數(shù)分析

眾所周知，國(guó)內(nèi)的閥門產(chǎn)品大都采用值來(lái)表示閥門的性能[4-5]，值與值表達(dá)的含義是相同的，二者之間存在換算關(guān)系：

根據(jù)IEC 534-1，閥門值是壓差為1 psi（94. 8 Pa）時(shí)，40～100℉（4℃～38℃）的水每分鐘流經(jīng)閥門的加侖數(shù)[6]。對(duì)于不發(fā)生氣蝕和閃蒸的紊流，閥門值的計(jì)算公式為：

式 中：Q為流 量，U.S.gal/min（1U.S.gal/min=6309×10-5m3/s）；ρ為流體密度，kg/m3；ρw為40～100℉（4℃～38℃）水的密度，kg/m3；ΔP為閥門的壓降，MPa。

由于流量Q和壓力降不是閥門本身的特性參數(shù)，故Cv的物理含義應(yīng)為該閥門的特性參數(shù)。當(dāng)閥門選型過(guò)程中，給出相應(yīng)的流量和流體密度之后即可得到閥門兩端的壓力降（即閥門的壓力損失）。例如，在油田服務(wù)作業(yè)過(guò)程中，準(zhǔn)確知道相應(yīng)的井口閥門的沿程損失能更精確的控制井下目標(biāo)層的壓力最終達(dá)到精確施工提高油田產(chǎn)量等效果。

從查詢的資料可知常用的閥門的Cv曲線常用的形式有下圖的四種[7]。等百分比流量，拋物線流量、線性流量和快開(kāi)流量四種。

圖1 閥門開(kāi)度和流量系數(shù)關(guān)系

2 某閥門的流場(chǎng)分析和值計(jì)算

現(xiàn)階段我公司的產(chǎn)品進(jìn)行Cv曲線試驗(yàn)的硬件設(shè)施仍然有所欠缺，但是為跟國(guó)際上的產(chǎn)品接軌就需要我們對(duì)公司產(chǎn)品特性有更全面和深入的掌握。從前述分析可以看出常規(guī)的Cv值是針對(duì)的水，或者特性與水相類似的流體而言。而石油工程中的流體特性往往與水的差別較大。常規(guī)的Cv值不能滿足設(shè)計(jì)要求，這就需要實(shí)際使用過(guò)程中針對(duì)原油和泥漿等進(jìn)行試驗(yàn)得到特有的Cv特征值。利用軟件進(jìn)行仿真分析能很好的解決試驗(yàn)手段不足和特殊Cv值快速分析計(jì)算的問(wèn)題，并滿足實(shí)際的工程需求。

利用Fluent流體軟件[8、9]對(duì)現(xiàn)有閥門結(jié)構(gòu)的值進(jìn)行分析。假定給定的參數(shù)為水，按照Cv值定義中給定的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如下。

2.1 閥門流場(chǎng)特性分析

閥門在微微開(kāi)啟的過(guò)程中相應(yīng)的阻力主要集中在開(kāi)啟位置處，該位置將產(chǎn)生紊流現(xiàn)象。閥門開(kāi)啟時(shí)（開(kāi)度非常小），閥門流場(chǎng)分析結(jié)果如圖2所示。從該閥門流速云圖上可以看出通過(guò)該閥的流體呈現(xiàn)明顯的紊流狀態(tài)，最大流速出現(xiàn)在閥芯左前方45°左右處，達(dá)到了282.7 m/s。查詢資料可知，在該種流速情況下水會(huì)發(fā)生氣化等現(xiàn)象[10]，導(dǎo)致該位置處流場(chǎng)的分布更加不均勻。

圖2 小開(kāi)度流場(chǎng)分布圖

隨著開(kāi)度的增大，閥門內(nèi)部的最大流速不斷減小。例如當(dāng)閥門的打開(kāi)行程為20 mm時(shí)，通過(guò)該閥的流體的最大流速為4.02 m/s，如圖3所示。結(jié)合前述的閥門微微開(kāi)啟時(shí)閥門最大流速282.7 m/s的流速情況，從閥門的使用角度考慮，閥門不易使用在流速極高或極低的情況下。通過(guò)查詢參考文獻(xiàn)，可知通常情況下控制流速的閥門，其開(kāi)度范圍在30%～70%的區(qū)間時(shí)流速控制值是非常準(zhǔn)確的，放大些范圍可為20%～80%。后續(xù)筆者將結(jié)合Fluent的分析結(jié)果給出該閥門流量精確控制的開(kāi)度區(qū)間。

圖3 中間行程流場(chǎng)分布圖

從前述流場(chǎng)分析的流線和速度分布上來(lái)看整個(gè)閥門閥體內(nèi)環(huán)空截面上的流速是不均勻的，流線從主要從左側(cè)的流體流入端通過(guò)。右側(cè)的流入斷面上的流速較小。后續(xù)如果考慮到閥門的減阻和效率問(wèn)題可以對(duì)閥門的流道進(jìn)行改進(jìn)，使進(jìn)口處的流線更加平滑，這樣相應(yīng)的效果更好更高效。同時(shí)在流出斷面后產(chǎn)生一定的渦流效應(yīng)。該渦流同樣會(huì)阻礙正流體的通過(guò)，建議后續(xù)增加延長(zhǎng)段，這樣更能使流體的流線均勻。

通過(guò)值Cv的計(jì)算公式可知，當(dāng)閥門兩側(cè)壓差不變的情況下，如果Cv值越大則對(duì)應(yīng)的流量越大。即在相同使用工況下（固定流量的前提下）所消耗的壓力降越少，即閥門更節(jié)能性能更好。從該種意義上說(shuō)閥門的設(shè)計(jì)流線型越好則該閥門越優(yōu)秀。

2.2 某閥門的曲線研究

通過(guò)Fluent軟件計(jì)算閥門在不同開(kāi)度下的流量，再按照閥門開(kāi)啟行程及其對(duì)應(yīng)的流量進(jìn)行計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的值，得到值與行程之間的關(guān)系表，如表1所示。

表1 不同閥門開(kāi)度下流速數(shù)據(jù)表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果擬合Cv曲線如圖4所示，顯然，該曲線與前述的四種經(jīng)典Cv曲線不同，其存在正反兩個(gè)類拋物線形式。同時(shí)查詢資料發(fā)現(xiàn)很多常規(guī)閥門也有這種現(xiàn)象[11]。研究閥門結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，閥門在開(kāi)始階段的倒角設(shè)計(jì)導(dǎo)致閥門在初始階段有類似于針閥的特性[12]，針閥的理論Cv曲線如圖5所示。當(dāng)閥門開(kāi)啟行程超過(guò)11.78 mm時(shí)，呈現(xiàn)閘閥的特性（圖6）。因此出現(xiàn)兩種正反拋物線形式的組合。為了消除行程的影響，將其換算為閥門開(kāi)度與Cv曲線的關(guān)系，如圖7所示。

圖4 原始Cv曲線

圖5 針閥的理論曲線

圖6 閥門開(kāi)閉階段結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 換算前與換算后的曲線對(duì)比

按照換算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的結(jié)果如圖8所示。再按照指數(shù)方式對(duì)該換算后的曲線進(jìn)行擬合，設(shè)擬合公式的格式為：

圖8 曲線擬合結(jié)果

根據(jù)邊界條件得到各個(gè)參數(shù)值：

標(biāo)準(zhǔn)差為1.458 21，即擬合公式對(duì)應(yīng)的Cv曲線最大偏差為1.458 21。同時(shí)從擬合后的偏差圖中可以看出其在5～30的范圍內(nèi)時(shí)相應(yīng)的偏差較小，如圖9所示。即該段區(qū)域的準(zhǔn)確性非常高。換算真實(shí)行程為15～42 mm的開(kāi)關(guān)行程之間（總行程為47 mm），即該種閥門的高精度調(diào)整區(qū)間為32%～90%開(kāi)度之間。

圖9 標(biāo)準(zhǔn)差分布

3 結(jié)論

（1）Cv值是一個(gè)特種值代表了閥門的特性。從公式可知相同使用工況下閥門的Cv值越大則閥門兩端的壓降越小，閥門的能耗越低。公司的某款節(jié)流閥的流向形式存在一定的不足，后續(xù)可以針對(duì)該種閥門進(jìn)行流道設(shè)計(jì)以達(dá)到減少公司閥門的壓力降從而起到節(jié)能減排的效果。

（2）針對(duì)公司的閥門雖然叫節(jié)流閥，但是其并不能完全符合節(jié)流閥的特點(diǎn)。該閥門的Cv值的變化存在正反拋物線兩種變化形式，如用于精確控制，需要將行程與閥門的開(kāi)度進(jìn)行換算后適用。從閥門的Cv值可以看出其精確使用的開(kāi)度范圍在32%～90%之間，對(duì)應(yīng)著閥門的行程在15 mm～42 mm（總閥門行程為47 mm）。

（3）從結(jié)構(gòu)上分析，該閥門的開(kāi)始段的Cv結(jié)果是由于閥門內(nèi)壁和閥板上的倒角共同決定的。該位置的倒角導(dǎo)致開(kāi)始階段閥門的開(kāi)啟形式與針閥類似，因此出現(xiàn)了針閥特征的Cv曲線段。從公司閥門生產(chǎn)和產(chǎn)品加工角度考慮，閥門的倒角等大多不能精確測(cè)量，如需要高精度的閥門，需要對(duì)閥門開(kāi)關(guān)位置和閥板形狀進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。該位置的形狀尺寸直接影響閥門的精度控制性能。

（4）本分析是基于水的Cv閥門特性研究。由于水與原油等產(chǎn)品的流動(dòng)特性差距較大后續(xù)結(jié)合產(chǎn)品需求可針對(duì)應(yīng)用的流體特性進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算以滿足特殊要求。