直通式调节阀内部流场分析

直通式调节阀内部流场分析

[来源：原创] [作者：无锡科莱恩流体控制设备有限公

司] [日期：15-09-01]

0.前言

调节阀是一种起控制作用的阀门，由控制机构和增减流量的阀体够成。调节阀一般情况下为直通式的，分为2种：单座式和双座式调节阀，双座式的最大流通量大，在运行过程做更为稳定，故所能使用的场合更多。如今，在流体机械和工程领域，调节阀在诸多问题中起到重要作用。调节阀的基本工作原理是：通过感知动作信号，然后更具信号做出相应动作，即机械位移（如直线、转角等），由此改变阀门开度，达到控制相关参数的目的。

现今我国对调节阀的性能研究工作比较少，由于起步晚，目前可用的理论知识和科技手段比较匮乏，而且进入科技人员和经费的投入也很少，主要依赖经验设计，参考国外的一些理论资料和样品进行产品开发，而自主产品研发工作很少。

随着计算机技术和硬件设备的日新月异，流体力学研究也越来越多的基于这一优势，逐步形成计算流体力学，计算机数值模拟已成为研究流体力学的三大方法之一，它不仅不受人力和实际工程环境制约，更重要的是可以得到整个负荷变化范围内的流动信息。基于计算机技术和计算流体力学，几十年来，也衍生了很多流体流动前后处理的适用软件，如techplot，grapher，gambit，ansys以及cfx等除了功能齐全经济适用的专业软甲开发，在数值算法方面，进展也越来越显著，除了传统的TVD差分算法和SIMPLE算法，很多研究者也

正专注于一些新观点以及新概念，计算机数值模拟的优势必将更加突。相比于从传统的机械角度出发，数值模拟更大程度上提高了调节阀的技术含量与产品质量，对于调节阀的不断优化和使用性能有深远意义。

1.数值模拟控制方程

湍流流动的瞬时控制方程如下：

标准k-ε两方程模型中

湍动耗散率ε表示为：

（5）

湍动黏度μt是k和ε的函数：

（6）

在标准k-ε模型中，常数C1ε、C2ε、Cμ、σk、σε为经验值，可通过试验得到：

1ε＝1.44，C2ε＝1.92，Cμ=0.09，σk＝1.0，σε＝1.3

当流动为不可压，且不考虑用户自定义的源项时，G b＝0，T M＝0，S k

＝0，Sε＝0，这时，标准k-ε模型为：

（7）

（8）

方程（7）及（8）中的Gk展开式为：

（9）

2.直通式调节阀计算模型

图1为某一型号的直通式调节阀结构图，本文的主要工作是应用AutoCAD软件对该调节阀的不同开度建立模型，然后导入fluent软件的gambit模块划分网格，通过设置合适的计算方程，边界条件等进行网格节点上的数值迭代计算，最后得出该直通式调节阀25%，5%两种开度下的速度云图，压力云图，速度矢量图，并对图进行分析，以便对后续的流道优化做准备。其中边界条件为：阀前（密封面处）介质压力约为4.85MPa，温度260℃；阀后管道压力为0.5MPa，温度为260℃。

图1 直通式调节阀结构图

2.1 流道几何模型的建立

本文利用autoCAD建模软件，对图1所示的直通式调节阀内部流道建立不同开度下的模型，经验证本模型在三维模拟和二维模拟下得出的结论对计算结果影响不大，故简化为二维模型。图2是调节阀开度25%时流道模型的二维图，图2中对阀芯和阀杆进行了简化，计入2种不同开度对流态影响的范围之内。

图2 25%开度下的流道二维简化模型

2.2 网格划分

本算例的流道模型简化为二维模型，所以直接使用gambit一体化生成四边形非结构化网格。图3是25%开度下调节阀流道模型的网格结构图，总共有90531

个网格。其中，通过网格无关性验证发现当网格个数达到9万多时网格疏密对技术结果影响不大，数值模拟计算结果已满足要求。

图3 25%开度下流道模型的网格结构图

3.流场可视化分析

当残差曲线收敛后，进行流场可视化分析，主要是流道压力分布云图，速度分布云图及速度矢量图的分析。

3.1 25%开度下流场可视化分析

该调节阀25%开度下的压力分布云图和速度分布云图如图4、图5所示。由图可知，整个流场主要在水流通过节流处（即阀瓣处流通截面很小处，通过改变此处截面大小控制流量）时，压力和速度梯度发生剧烈变化，这是由于流通面积突然减小，根据伯努利方程可知速度迅速增大，并且从图中可知阀前后压力变化极大，变化梯度集中在节流处；在阀门管道进出口处，压力和速度又趋向均匀。由于进出口高度差相对很小，且进出口截面积相同，故流道的压降主要用于克服调节阀前后的阻力。

图4 25%开度下压强分布云图（单位：Pa）

图5 25%开度下速度分布云图（单位：m/s）

在25%开度下的速度矢量图、局部放大图如图6和图7所示。阀门进口处流速大小变化很小，且不出现径向的脉动现象。当水流经过节流处时，速度值变化很大，随着流通面积的减小，速度随之增大；水流通过节流处后，出现一段喷射现象，然后流束慢慢扩大，靠近出口处管径又逐渐均匀，流动状态也随之平稳。水流从节流处喷射进入阀腔中时，产生明显的涡旋现象，同时在出口处也同样生成漩涡，结合压力云图和总流方程可知，漩涡处能量损失很大。其中如图7，靠近出口处的漩涡，最为强烈，对比图4可知，此处也是流道中压强最低的区域。

图6 25%开度下速度矢量图（单位：m/s）

图7 25%开度下靠近出口漩涡区速度矢量放大图（单位：m/s）

3.2 5%开度下流场可视化分析

如图8、图9分别是5%开度下该直通式调节阀的压力云图和速度云图。从图中可看出，由于开度很小，阀芯与阀座间的节流段过流面积很小，阀前后的流动几乎被隔断，进出口流道的压强非常均匀，而进出口流道流体速度非常

小，变化也很小。

图8 5%开度下压强分布云图（单位：Pa）

图9 5%开度下速度分布云图（单位：m/s）

在阀腔中背对出口一侧形成高速射流区，压强和速度分布杂乱无章。从阀前到阀后压强急剧减小，流体能量损失集中发生在节流段及阀腔部分，并且在阀腔处形成真空度。

在5%开度下的速度矢量图和局部放大图如图10、11所示，可以很直观的发现流体流过节流处后，形成大小不一的漩涡，整个阀腔局部损失很大，总能削弱明显。