基于CFD技術(shù)的節(jié)流閥流量特性的數(shù)值模擬分析

李輝

（科倍隆機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)（上海）有限公司，上海201619）

0 引言

節(jié)流閥是通過(guò)改變通路截面積或節(jié)流長(zhǎng)度以控制流體流量的閥門［1-2］。節(jié)流閥是結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛的流量控制閥,具有價(jià)格低廉、調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)。由于節(jié)流閥的流量不僅取決于節(jié)流口面積的大小，還與節(jié)流口前后的壓差有關(guān)，因此在選擇節(jié)流口流量的工藝參數(shù)方面，節(jié)流閥的流量特性是一個(gè)很重要的指標(biāo)。獲取節(jié)流閥的流量特性，往往需要通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)方法獲得，不僅需要較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)確定，而且需要昂貴的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)成本。為了能夠快速獲得節(jié)流閥的流量特性參數(shù)，這里提出了采用CFD數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)獲取節(jié)流閥的相關(guān)流量特性。

圖1 節(jié)流閥外形圖

隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的可靠性不斷提高［3-4］，CFD 軟件在研究流體機(jī)械的流場(chǎng)問題領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用CFD技術(shù)對(duì)節(jié)流閥的的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，借助于SolidWorks Flow Simulation模塊對(duì)節(jié)流閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí) 驗(yàn)［5］，從 而 得 到節(jié)流閥的流量特性參數(shù)，來(lái)指導(dǎo)節(jié)流閥產(chǎn)品的選型和設(shè)計(jì)。

圖2 節(jié)流閥結(jié)構(gòu)圖

1 結(jié)構(gòu)模型

節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)模型采用SolidWorks來(lái)建立，規(guī)格為3＂-3000Psi，如圖1所示，其內(nèi)部節(jié)流結(jié)構(gòu)主要是由節(jié)流針式閥芯和閥座構(gòu)成，如圖2所示。

1.1 控制方程組

過(guò)濾器內(nèi)流動(dòng)屬于湍流，流體屬于黏性不可壓縮流體，滿足納維葉-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，黏性系數(shù)為一常數(shù)的形式，即：

Navier-Stokes方程比較準(zhǔn)確地描述了實(shí)際的流動(dòng)，黏性流體的流動(dòng)分析均可歸結(jié)為對(duì)此方程的研究。

1.2 湍流模型

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，該模型的控制方程組可寫為：

式中：Gk為由于平均速度梯度引起的湍流能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為由于浮力引起的湍流能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，對(duì)于不可壓流體，Gb=YM=0；C1ε、C2ε、C3ε、σk和 σε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3；Ρ 為流體密度；k 為湍動(dòng)能；ε 為湍動(dòng)能耗散率；u為流體相對(duì)速度；μ為流體動(dòng)力黏度。

2 模擬分析

2.1 模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置

由于數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)是在虛擬的環(huán)境下用數(shù)學(xué)模型分析的方法來(lái)執(zhí)行的，所以可以忽略其它在試驗(yàn)中可能會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的物理因素［6］，這里根據(jù)流量特性Kv值的定義，對(duì)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)的參數(shù)定義如下：實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水；介質(zhì)密度為1000 kg/m3；進(jìn)口壓力為0.35 MPa；出口壓力為0.25 MPa；溫度為20℃。

2.2 邊界條件

為保證流場(chǎng)流動(dòng)充分，在節(jié)流閥的進(jìn)出口兩端均加有長(zhǎng)度為5倍直徑的直管段。

采用Flow Simulation模塊對(duì)節(jié)流閥模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分精度控制為5級(jí)，并采取網(wǎng)格自適應(yīng)模式，共劃分12844個(gè)節(jié)點(diǎn)。

邊界條件的設(shè)置為：進(jìn)口處壓力（總壓）大小為0.35 MPa；出口處壓力（靜壓）大小為0.25 MPa；固體壁面邊界條件（默認(rèn)），其流道壁面粗糙度設(shè)置為Ra6.3。

3 模擬計(jì)算

經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的模擬運(yùn)算后，得出節(jié)流閥在各個(gè)開度下的流量值，根據(jù)流量特性Kv值的定義，可以認(rèn)定此時(shí)的流量值即為Kv值，圖3～圖5依次為節(jié)流閥在開度為30%、60%和90%的情況下的流場(chǎng)速度云圖。

圖330%開度下的速度云圖

圖460%開度下的速度云圖

圖590%開度下的速度云圖

根據(jù)上述速度云圖的特征可以看出，隨著閥門的開啟，節(jié)流閥的內(nèi)部流體的閥芯出口位置最大瞬時(shí)流速?gòu)膬蓚?cè)逐漸向中心移動(dòng)（如圖3～圖4所示），到開啟到最大位置時(shí)，閥芯出口位置流場(chǎng)速度呈均勻狀態(tài)（如圖5所示），根據(jù)調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)［2］，這和實(shí)際流場(chǎng)流動(dòng)的情況是吻合的。

根據(jù)模擬仿真的結(jié)果，可以得到節(jié)流閥的出口流量數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 節(jié)流閥在各個(gè)開度下的Kv值

由表1可繪制出該節(jié)流閥的流量特性曲線，如圖6所示。

圖6 節(jié)流閥的流量特性曲線

從節(jié)流閥的流量特性曲線可以看出，該節(jié)流閥的流量特性近似于直線，這和閥芯的錐面的結(jié)構(gòu)形狀是有關(guān)的，也符合調(diào)節(jié)閥的相關(guān)設(shè)計(jì)理論，說(shuō)明了模擬仿真的結(jié)果是和調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)的理論相一致的。

根據(jù)流體力學(xué)理論計(jì)算流量的公式

在節(jié)流閥所在系統(tǒng)的壓差和流體介質(zhì)密度已知的情況下，根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)，就可計(jì)算出當(dāng)前的節(jié)流閥出口流量，根據(jù)我們?cè)诳蛻舻默F(xiàn)場(chǎng)了解的參數(shù)，在開度50%的情況下，進(jìn)出口壓差Δp=12 MPa；介質(zhì)密度ρ=1200 kg/m3；流量Q=413 m3/h。

利用式（4）計(jì)算的流量Q為427.3 m3/h，相對(duì)誤差僅為3.35%。

改變邊界設(shè)置條件，對(duì)該工況進(jìn)行數(shù)值模擬，介質(zhì)設(shè)置如下：介質(zhì)密度為1200 kg/m3；溫度為20℃。

邊界條件設(shè)置如下：進(jìn)口處壓力（總壓）大小為15.1MPa；出口處壓力（靜壓）大小為3.1MPa；固體壁面邊界條件(默認(rèn))，其流道壁面粗糙度設(shè)置為Ra6.3。

經(jīng)過(guò)模擬仿真計(jì)算后的流量為Q=421 m3/h，和實(shí)際情況下的流量相比，誤差為1.8%，這說(shuō)明通過(guò)模擬仿真實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的結(jié)果是能夠符合實(shí)際情況的。

4 結(jié)論

通過(guò)模擬仿真計(jì)算的結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況符合的，可以用來(lái)作為計(jì)算的依據(jù)。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算不僅可以得到相對(duì)精確的結(jié)論，而且可以觀察到節(jié)流閥的內(nèi)部流場(chǎng)的分布情況，不僅能夠用來(lái)指導(dǎo)節(jié)流閥產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，且可以用來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能，從而提高設(shè)計(jì)的可靠性。

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真計(jì)算，可以很大程度上來(lái)代替代價(jià)昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，節(jié)約大量的實(shí)驗(yàn)時(shí)間，得出的最終結(jié)論可以用來(lái)作為設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

［1］ 楊源泉.閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

［2］ 陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］ 陳超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation 教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［4］ 巴鵬，鄒長(zhǎng)星，張秀絎.基于CFD技術(shù)的截止閥啟閉時(shí)流場(chǎng)動(dòng)態(tài)模擬［J］.潤(rùn)滑與密封，2010，35（7）：80-85.

［5］ 于建.節(jié)流閥閥瓣調(diào)節(jié)特性仿真研究［J］.閥門，2011（4）：39-40.

［6］ 巴鵬，房元燦，譚效武.基于CFD技術(shù)的管道過(guò)濾器內(nèi)部流場(chǎng)模擬及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.潤(rùn)滑與密封，2011，36（4）：98-101.