李跟飛　張韶宇　周世豪　余巍（中國船舶重工集團公司第七二五研究所)

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不同壓降下調節(jié)閥流量系數(shù)的分析

李跟飛*張韶宇周世豪余巍
（中國船舶重工集團公司第七二五研究所)

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

關鍵詞調節(jié)閥數(shù)值模擬流動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)展和科技的進步，各種輸氣和輸液管道系統(tǒng)被廣泛應用。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方向、流量大小和壓差大小。調節(jié)閥是自動化技術中最常見的執(zhí)行元件之一，廣泛應用于石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)部門。調節(jié)閥又稱控制閥，它是過程控制系統(tǒng)中用動力操作去改變流體流量的裝置。調節(jié)閥由執(zhí)行機構和閥門部件兩部分組成，執(zhí)行機構起推動作用，而閥起調節(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節(jié)閥內的流體的流量、壓力等物理量變化情況，分析調節(jié)閥的流量特性，并將實際流量特性與等百分比流量特性進行對比。

常用的調節(jié)閥結構如圖1所示。調節(jié)閥種類繁多，結構多種多樣，內部結構復雜，而且調節(jié)閥的類型和結構還在不斷地變化和更新。因此以往的試驗結果歸納總結出來的公式、系數(shù)只能適合幾種常見類型，用來估算閥門內部的流動特性誤差較大。隨著計算機技術和數(shù)值計算的發(fā)展，運用計算流體動力學（CFD）對流體流動進行模擬仿真分析，已經成為一種普遍應用的工程分析技術[2]。計算流體動力學的發(fā)展為人們很好地了解閥門內部流體的流動情況提供了很好的途徑。

圖1　調節(jié)閥結構

1　數(shù)學模型的建立

在流體運動中遵循三個最基本的守恒方程，即質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。通過網格劃分就可以把流體模型劃分成多個控制體，對于每一個控制體運用流體運動的三個基本方程進行模擬計算和分析[3-4]。

連續(xù)性方程的微分形式為：

連續(xù)性方程又稱質量守恒方程，該方程可用于可壓流動和不可壓流動。

動量守恒方程為：

式中p——靜壓；

τij——應力張量，其表達式為

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——有效熱導系數(shù)；

Jj′——組分j′的擴散通量；

Sh——化學反應熱和其他體積熱源。

其中，keff=kt+k。方程右邊前三項為導熱項、組分擴散項和黏性耗散項。

2　調節(jié)閥流道結構建模與網格劃分

2.1調節(jié)閥流道的結構建模

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

圖2　調節(jié)閥10%開度時流道剖面

2.2計算網格的劃分

將調節(jié)閥流道的三維實體模型導入ANSYSWorkbench（網格劃分）軟件中進行數(shù)值模擬計算的前處理。為了節(jié)省計算時間，建立流道模型的一半作為計算模型。為了提高計算精度和考慮數(shù)值計算對計算機的要求，在劃分網格時采用非結構化的四面體網格。劃分后的網格數(shù)大約為5萬左右。設置邊界條件為壓力入口和壓力出口，流道模型剖面設置為對稱面邊界。調節(jié)閥開度為10%的流道網格劃分如圖3所示。

圖3　調節(jié)閥流道網格

3　數(shù)值計算與結果分析

3.1邊界條件設置

將處理后的網格文件導入Fluent分析模塊，并進行邊界條件和流體屬性設置，選擇合適的求解方程及模型。設置流體屬性為ideal-gas，流體屬性參數(shù)保持默認值。設置入口和出口壓力，使得壓差分別為0.4 MPa、0.55 MPa、0.66 MPa、0.7 MPa，并分別進行數(shù)值模擬計算。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的數(shù)值模擬。不同開度和不同壓差下的數(shù)值模擬計算結果如表1所示。

3.2流量系數(shù)的結果分析

從表1可以看出，在同一壓差條件下，調節(jié)閥的流量系數(shù)隨開度的增加而增大，開度越大調節(jié)閥流量系數(shù)也越大，當調節(jié)閥為全開狀態(tài)時流量系數(shù)最大。在同一開度條件下，調節(jié)閥的流量系數(shù)隨著壓差的增大而增大，進出口壓差越大調節(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，由于調節(jié)閥前后的壓差作用，調節(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)在小開度時增長較快。在開度較大時，調節(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，調節(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，與等百分比流量特性相比，調節(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)值模擬結果分析

對開度為50%時調節(jié)閥在不同壓差下的流場進行分析。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生渦漩造成的。在閥門的進出口位置和閥腔內流體流動比較均勻，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系，隨調節(jié)閥前后壓差的增大而增大，并且調節(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壓差時的速度等值線圖

圖7　0.6 MPa壓差時的速度等值線圖

5　結論

由上述分析結果可知，調節(jié)閥流量系數(shù)隨調節(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，調節(jié)閥壓差的改變對調節(jié)閥流量系數(shù)值的變化影響不大。調節(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，調節(jié)閥壓力與速度增長成反比的關系，壓力大的地方速度值較小。由能量守恒知，當壓力增大時，速度會相應地減小，速度較小的地方壓力值相應地較大。在閥芯閥座處，由于節(jié)流作用而在附近產生縮流，該處流體速度增大，但靜壓減小。

參考文獻

[1]吳國熙.調節(jié)閥使用與維修[M] .北京：化學工業(yè)出版社，2003.

[2]車淵博，李春，高坤.調節(jié)閥內部流場的動態(tài)模擬及優(yōu)化分析[J] .能源研究與信息，2010，26（3）：174-178.

[3]潘永成，王勇，謝玉東.基于CFD的調節(jié)閥內流場流動特性研究[J] .機床與液壓，2011，39（1）：5-7.

[4]陳年金.基于CFX的攪拌器功率計算[J] .化工裝備技術，2014，35（3）：27-29.

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