劉潔

摘 要 針對(duì)某錐面調(diào)節(jié)閥，在充分分析閥芯幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用三維建模軟件建立閥門(mén)內(nèi)部流道模型，通過(guò)CFD進(jìn)行離散求解，得到調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較分析。通過(guò)對(duì)錐面閥芯結(jié)構(gòu)尺寸的改變，再對(duì)改進(jìn)后的流道進(jìn)行數(shù)值模擬，得出最優(yōu)改進(jìn)模型。

關(guān)鍵詞 調(diào)節(jié)閥門(mén)；閥芯結(jié)構(gòu)；流量特性

中圖分類號(hào) TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）162-0177-02

閥門(mén)在工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，是工業(yè)系統(tǒng)中不可缺少的主要設(shè)備之一。錐面調(diào)節(jié)閥門(mén)在控制流量中精度高，在定量流體輸送環(huán)節(jié)應(yīng)用前景廣泛。錐面閥芯的幾何尺寸是決定閥門(mén)控制調(diào)節(jié)能力的非常重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，傳統(tǒng)的研究手段是采用試驗(yàn)手段，對(duì)閥門(mén)的外部特性，如進(jìn)出口壓力差、流量系數(shù)等，進(jìn)行測(cè)量和分析，而對(duì)流體在閥門(mén)內(nèi)部流動(dòng)情況則很難知曉[ 1 ]。近年來(lái)，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)的迅速發(fā)展，為了解閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)分布，探尋各流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律提供了便捷的方法。

本文通過(guò)詳細(xì)分析錐面結(jié)構(gòu)特征，給出影響閥芯錐面的3個(gè)幾何參數(shù)關(guān)系，利用FLUENT流體分析軟件，詳細(xì)分析了錐面結(jié)構(gòu)變化對(duì)閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)的影響。研究結(jié)果可為同類閥門(mén)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供借鑒。

1 閥芯幾何特征分析

1.1 控制閥的流量特性

流量控制閥門(mén)最重要的標(biāo)準(zhǔn)之一是它的流量特性?？刂崎y的流量特性取決于它固有的流量特性。固有的流量特性表示為在恒溫和閥門(mén)兩邊壓力降不變的情況下，通過(guò)閥門(mén)的流量與控制元件位置（推桿行程）的函數(shù)關(guān)系。通常的流量特性有線性的、改進(jìn)線性的、等百分比的、以及平方根（快速開(kāi)啟）的[ 1 ]。控制閥的流量特性見(jiàn)圖1所示。

任何流量特性曲線都通過(guò)恰當(dāng)?shù)拈y門(mén)元件的形狀或控制閥門(mén)的打開(kāi)及關(guān)閉運(yùn)動(dòng)來(lái)得到。為了得到所希望的固有流量特性，在設(shè)計(jì)閥門(mén)元件時(shí)，必須考慮入口、出口以及殼體壓力損失對(duì)閥門(mén)的流量的影響。在理想情況下，控制閥全部壓力降應(yīng)發(fā)生在控制元件兩邊。然而，

流道的幾何形狀突然變化引起的壓力損失是不能完全消除的。因此，為了使整個(gè)閥門(mén)具有所要求的流量特性，常常需要設(shè)計(jì)人員對(duì)理論上求得的閥門(mén)元件流通面積與行程的關(guān)系加以改進(jìn)以便補(bǔ)償這種損失。

1.2 錐面閥芯幾何特征

分別對(duì)4種錐芯尺寸的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并把計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行比較（數(shù)值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1）。模型1的流通規(guī)律基本與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，但是相對(duì)誤差比較大，最大值為0.168，原因應(yīng)是單錐面與雙錐面閥芯引起的；模型2和模型4的流通規(guī)律也基本與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，但是模型2在開(kāi)度較大時(shí)產(chǎn)生了很大誤差，最大值為0.237，模型4在閥芯處于中間位置時(shí)產(chǎn)生了很大誤差，并且流量控制不穩(wěn)定，最大誤差為0.255，主要原因是參數(shù)匹配不合理；模型3的流通規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好的一致性，并且誤差比較小，最大誤差僅為0.046。模型數(shù)值計(jì)算流量特性如圖3所示。

3 結(jié)論

運(yùn)用理論分析、數(shù)值仿真相結(jié)合的方法，對(duì)錐面閥芯幾何結(jié)構(gòu)與流道流動(dòng)特性進(jìn)行系統(tǒng)、深入的分析。分析的計(jì)算結(jié)果表明：通過(guò)數(shù)值模擬，調(diào)整錐面閥芯的幾何尺寸，給出最佳閥芯幾何尺寸方案，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，基本滿足實(shí)際情況要求。文中所提出的閥芯幾何尺寸關(guān)系和采用CFD方法將大大提高錐面調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的技術(shù)含量與產(chǎn)品質(zhì)量，可縮短調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)和加工周期，節(jié)省大量成本。

參考文獻(xiàn)

[1]“閥門(mén)管件設(shè)計(jì)”編譯組.美國(guó)閥門(mén)管件設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1987：93-96.

[2]樊達(dá)宜，欒秀春.基于FLUENT的節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012（10）：588-590.

[3]沈陽(yáng)，欒秀春.節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥動(dòng)態(tài)特性研究[J].電站系統(tǒng)工程，2012（5）：11-17.

[4]黃志新，劉成柱.Ansys Workbench 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2014.