陳 超，宗超勇，李清野，宋學(xué)官

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

迷宮式調(diào)節(jié)閥是一種被廣泛應(yīng)用在石油和天然氣等能源管道系統(tǒng)內(nèi)的重要控制元件，其主要功能是在高壓差工作條件下控制管道系統(tǒng)內(nèi)流體的流通狀態(tài)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于迷宮式調(diào)節(jié)閥的研發(fā)制作以仿造國(guó)外產(chǎn)品為主，研究迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)分布情況的相關(guān)工作較少且處于起步階段[1-2]。金多文[3]通過(guò)迷宮式調(diào)節(jié)閥在工業(yè)中應(yīng)用案例，展示了迷宮式調(diào)節(jié)閥閥芯選擇的計(jì)算過(guò)程。王若愚[4]等應(yīng)用CFD流體分析軟件對(duì)單條迷宮式流道進(jìn)行仿真計(jì)算，得到了擴(kuò)張系數(shù)對(duì)于迷宮式流道內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)的影響。劉佳等[5]應(yīng)用CFD流體仿真軟件對(duì)單條迷宮式流道進(jìn)行模擬計(jì)算，分析比較了分流式與對(duì)沖式2種迷宮式流道形狀對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)的影響。陶國(guó)慶等[6]對(duì)不同開(kāi)度下迷宮式調(diào)節(jié)閥模擬計(jì)算，獲得了迷宮式調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)曲線。郝嬌山[7]對(duì)仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析提出了一種新的流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路并擬合了不同開(kāi)度下調(diào)節(jié)閥整體的流量特性曲線。王金海等[8]應(yīng)用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)方法得到了迷宮式調(diào)節(jié)閥整體的流量特性。何濤等[9]通過(guò)對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的低噪聲的閥芯盤(pán)片結(jié)構(gòu)并分析了閥體內(nèi)噪聲產(chǎn)生的原因。雖然上述文章已經(jīng)對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體的流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，但是對(duì)于迷宮式調(diào)節(jié)閥的局部流體的流動(dòng)特性研究還有待深入。

本文應(yīng)用ANSYS Workbench商業(yè)有限元仿真軟件對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)的二分之一模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果分析了迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)整體的流動(dòng)特性，并通過(guò)建立監(jiān)測(cè)面得到迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)局部區(qū)域流體的壓力、流速和質(zhì)量流量等物性參數(shù)，研究了迷宮式調(diào)節(jié)閥局部流體的流動(dòng)特性。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 幾何模型和網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

迷宮式調(diào)節(jié)閥主要包括閥體、閥芯和閥桿等零件，其三維幾何模型如圖1所示。研究中所用的迷宮式調(diào)節(jié)閥閥體高度為125 mm，入口和出口直徑為76 mm,距離為300 mm，閥芯由10個(gè)盤(pán)片組成，每個(gè)盤(pán)片上有8個(gè)對(duì)稱(chēng)分布的迷宮式流道，流道橫截面尺寸為2 mm×2 mm，閥芯的幾何模型如圖2所示。閥桿的行程為40 mm。閥體的內(nèi)流場(chǎng)幾何模型具有對(duì)稱(chēng)性，為了降低計(jì)算資源在本文的研究中采用內(nèi)流場(chǎng)二分之一幾何模型進(jìn)行仿真計(jì)算，并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17213.9—2005中關(guān)于閥門(mén)流通能力測(cè)試管道配置規(guī)定，將入口側(cè)延長(zhǎng)至管道直徑的2倍，將出口側(cè)延長(zhǎng)至管道直徑的6倍，以保證仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖1 迷宮式調(diào)節(jié)閥三維幾何模型

圖2 閥芯結(jié)構(gòu)示意

迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)幾何模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。閥芯的幾何形狀對(duì)流體壓力和速度的變化起主要作用，使用六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其他流域應(yīng)用四面體網(wǎng)格劃分,并對(duì)內(nèi)流場(chǎng)與迷宮式流道和閥桿孔的連接處的網(wǎng)格進(jìn)行了加密。為了在不影響計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度的情況下盡可能選用較少的網(wǎng)格，選用1 323 258，1 864 144，2 277 705，2 758 730和4 929 605這5種逐步增加的網(wǎng)格數(shù)量進(jìn)行模擬計(jì)算。網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響如表1所示。由表1可知，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加至2 277 705后繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對(duì)出口的質(zhì)量流量影響相對(duì)較小，所以最終選擇該數(shù)量的網(wǎng)格進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖3 二分之一內(nèi)流場(chǎng)幾何模型網(wǎng)格劃分

表1 網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果影響

1.2 計(jì)算方法和邊界條件

對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥的幾何模型進(jìn)行前處理后，將其導(dǎo)入至ANSYS Workbench中的Fluent模塊內(nèi)，設(shè)置求解域邊界條件，入口壓力設(shè)置為5×105Pa,出口壓力設(shè)置為2×105MPa,參考?jí)毫?個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,內(nèi)部流體介質(zhì)為常溫狀態(tài)下的水，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算求解，求解域內(nèi)控制方程[10]。

質(zhì)量守恒方程為

(1)

動(dòng)量守恒方程為

(2)

湍動(dòng)能k方程為

(3)

湍動(dòng)耗散率ε方程為

(4)

式(1)～式(4)中，μeff為有效粘度;μt為湍動(dòng)粘度，可以表示成k和ε的函數(shù);S為體積力;σk和σε分別為與湍動(dòng)能和耗散率對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù);Gk為由流體的平均速度梯度導(dǎo)致的湍動(dòng)能的生成項(xiàng);C1ε和C2ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)[10]。

1.3 流通系數(shù)的計(jì)算方法

因?yàn)楸疚难芯恐虚y體內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為常溫水，且質(zhì)量流量Q和壓強(qiáng)差ΔP的單位分別為kg/s和100 kPa，所以根據(jù)GB/T 17213.9-2005工業(yè)過(guò)程控制閥第2.3部分,流通能力實(shí)驗(yàn)程序中關(guān)于流量系數(shù)的計(jì)算公式推得本文中迷宮式調(diào)節(jié)閥整體的流量系數(shù)公式為

(5)

為了對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥局部介質(zhì)的流動(dòng)特性進(jìn)行研究，需要對(duì)每個(gè)盤(pán)片和每條迷宮式流道的流量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。這樣就需要在每條迷宮式流道的進(jìn)出口建立監(jiān)測(cè)面得到計(jì)算流量系數(shù)所需要的物理量，而且為了進(jìn)一步研究迷宮式流道內(nèi)流體的流動(dòng)規(guī)律，在每條流道內(nèi)部建立了11個(gè)檢測(cè)面，如圖4所示。因?yàn)樵陂y體內(nèi)流體同時(shí)流入每個(gè)盤(pán)片上的各條迷宮式流道，所以式(5)可以寫(xiě)成[2]

(6)

(7)

i為閥芯盤(pán)片和迷宮式流道的序號(hào)；CV，Diski和CV，Pathi分別為每個(gè)盤(pán)片和每條迷宮式流道的流量系數(shù)，每條流道的流量系數(shù)可以通過(guò)式(5)計(jì)算得到。

圖4 迷宮式流道內(nèi)監(jiān)測(cè)面的位置

2 數(shù)值結(jié)果分析

2.1 迷宮式調(diào)節(jié)閥整體的流量特性

迷宮式調(diào)節(jié)閥的工作原理是通過(guò)改變閥桿的位置來(lái)控制閥芯的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流過(guò)迷宮式調(diào)節(jié)閥的流體的壓力和質(zhì)量的調(diào)節(jié)。本文研究中分別對(duì)不同開(kāi)度下迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了仿真計(jì)算，得到迷宮式調(diào)節(jié)閥整體在不同開(kāi)度下的流量系數(shù)的計(jì)算值如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制調(diào)節(jié)閥整體的流量特性曲線如圖5所示。通過(guò)圖5可知，本文中研究的迷宮式調(diào)節(jié)閥的流量是線性變化的。

表2 不同開(kāi)度下迷宮式調(diào)節(jié)閥整體的流量系數(shù)

圖5 迷宮式調(diào)節(jié)閥整體的流量特性曲線

閥芯開(kāi)度為100%時(shí)，調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)部分的對(duì)稱(chēng)面上的壓力分布云圖和速度分布云圖分別如圖6,圖7所示。圖6和圖7顯示迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體的壓力和速度的變化主要發(fā)生在閥芯內(nèi)部，但是從圖7中閥桿孔位置的速度分布可以知道從同一盤(pán)片的各個(gè)迷宮式流道出口流出的流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是不同的，因此流入同一盤(pán)片的各個(gè)迷宮式流道入口流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也一定是不同的，這應(yīng)該是閥芯盤(pán)片上各個(gè)迷宮式流道入口幾何空間位置的不同和迷宮式流道入口處流體復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)造成的。

圖6 對(duì)稱(chēng)面上的壓力分布云圖

圖7 對(duì)稱(chēng)面上的速度分布云圖

2.2 迷宮式調(diào)節(jié)閥局部流量特性

閥芯開(kāi)度為100%時(shí)，閥芯上盤(pán)片1、盤(pán)片5和盤(pán)片10的迷宮式流道內(nèi)流體的壓力和速度分布分別如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可知，閥芯盤(pán)片1、盤(pán)片5和盤(pán)片10這3個(gè)盤(pán)片上的各個(gè)迷宮式流道內(nèi)流體的壓力和速度分布大致相同，但是不同盤(pán)片相同序號(hào)的流道內(nèi)流體的壓強(qiáng)和速度的數(shù)值相差較大。圖10和圖11分別顯示了盤(pán)片1、盤(pán)片5和盤(pán)片10上流道1內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)面上的平均壓強(qiáng)和平均速度。由圖10可以知道，閥芯盤(pán)片上迷宮式流道內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)面上流體的平均壓強(qiáng)雖然在流經(jīng)流道前后有較大幅度的下降，但不是由大到小逐漸降低的，而是流體在每次經(jīng)過(guò)迷宮式流道的直角彎后流體的壓強(qiáng)都會(huì)有小幅度的恢復(fù)，同時(shí)也可以看到從盤(pán)片1到盤(pán)片5再到盤(pán)片10相同序號(hào)的流道內(nèi)流體的壓強(qiáng)逐漸降低。由圖11可以知道，閥芯盤(pán)片上的迷宮式流道內(nèi)各個(gè)監(jiān)測(cè)面上流體的平均速度是呈現(xiàn)波浪式變化的趨勢(shì)，并且從流道的局部區(qū)域看其變化趨勢(shì)與流道內(nèi)流體壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)相反，同時(shí)可以看到從盤(pán)片1到盤(pán)片5再到盤(pán)片10相同序號(hào)的流道內(nèi)流體的速度先減小后增大。

迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)流過(guò)每個(gè)盤(pán)片內(nèi)流體的質(zhì)量流量等于流過(guò)盤(pán)片上各個(gè)流道的流體的質(zhì)量流量之和。閥芯開(kāi)度為100%時(shí)，流經(jīng)各盤(pán)片的流體的質(zhì)量流量變化如圖12所示，在圖12中可知，由盤(pán)片1到盤(pán)片10流經(jīng)各盤(pán)片的流體的質(zhì)量流量以接近指數(shù)的規(guī)律逐漸增加，由此可知從盤(pán)片1到盤(pán)片10各盤(pán)片上的迷宮式流道對(duì)流體的流動(dòng)阻力逐漸降低。

圖8 閥芯迷宮式流道內(nèi)流體的壓力云圖

圖9 閥芯迷宮式流道內(nèi)流體的速度云圖

圖10 迷宮式流道內(nèi)監(jiān)測(cè)面的平均壓強(qiáng)

圖11 迷宮式流道內(nèi)監(jiān)測(cè)面的平均速度

圖12 流經(jīng)閥芯各盤(pán)片流體的質(zhì)量流量

通過(guò)式(1)～式(3)可計(jì)算出每個(gè)盤(pán)片的流量系數(shù)。雖然由盤(pán)片1到盤(pán)片10流經(jīng)各盤(pán)片的流體的質(zhì)量流量在不斷增加，但是從表3中的數(shù)據(jù)可以看到：在閥芯各個(gè)盤(pán)片中盤(pán)片3的流量系數(shù)最大，值為0.376 8；盤(pán)片10的流量系數(shù)最小，值為0.371 4，兩者相差1.5%，所以閥芯上各盤(pán)片的流量系數(shù)的值基本相等。

表3 閥芯開(kāi)度為100%時(shí)各盤(pán)片的流量系數(shù)

由式(1)可知流量系數(shù)的值與流經(jīng)迷宮式流道的流體的質(zhì)量流量呈正比，與迷宮式流道進(jìn)出口兩端流體的壓強(qiáng)差的平方根呈反比。雖然由盤(pán)片1到盤(pán)片10流經(jīng)各盤(pán)片的流體的質(zhì)量流量逐漸增加，但是由盤(pán)片1到盤(pán)片10各盤(pán)片上迷宮式流道進(jìn)出口兩側(cè)流體的壓強(qiáng)差卻是不斷減小的，因此閥芯上各盤(pán)片之間流量系數(shù)的值基本相等。

3 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)的方法對(duì)迷宮式調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)的二分之一幾何模型進(jìn)行了模擬計(jì)算，研究分析了迷宮式調(diào)節(jié)閥整體和局部流體的流動(dòng)特性。得到結(jié)論如下：迷宮式調(diào)節(jié)閥整體的流量系數(shù)與閥芯開(kāi)度的變化線性相關(guān)；同一盤(pán)片上各迷宮式流道入口和出口流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是不同的；迷宮式流道內(nèi)局部流體的流速和壓強(qiáng)變化的趨勢(shì)是相反的；閥芯內(nèi)流經(jīng)各盤(pán)片流體的質(zhì)量流量以接近指數(shù)的規(guī)律逐漸增加，但是閥芯內(nèi)各盤(pán)片之間流量系數(shù)的值基本相等。