基于Fluent的頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)數(shù)值模擬

張希恒 張耀壬 王 宇 張 超

（蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院）

調(diào)節(jié)閥作為一種常見的閥門在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其性能的改進(jìn)對(duì)提高工藝效率和降低能耗具有重要意義。 因此，研究調(diào)節(jié)閥的流量特性具有重要的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

近年來，CFD技術(shù)在閥門內(nèi)流場(chǎng)的數(shù)值模擬方 面［1～3］和 結(jié) 構(gòu) 優(yōu) 化 方 面［4～6］均 有 諸 多 應(yīng) 用。 An Young Joon等研究了截止閥的性能， 應(yīng)用流體力學(xué)方法在定常流狀態(tài)下分析截止閥的特性并取得一定的突破［7］。 何世權(quán)等運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)角式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行三維模擬，通過對(duì)比分析不同流向下的速度場(chǎng)與壓力場(chǎng)分布，得出流閉型對(duì)提高流量系數(shù)有著積極作用［8］。 陶正良等運(yùn)用數(shù)值模擬和試驗(yàn)方法對(duì)電站調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行研究，該研究可以判斷出流體在短時(shí)間內(nèi)的壓力損失，并且對(duì)其流動(dòng)特性可以進(jìn)行預(yù)測(cè)，為調(diào)節(jié)閥的改型提供方向［9］。 潘永成等建立調(diào)節(jié)閥的三維模型， 利用CFD技術(shù)對(duì)調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體進(jìn)行數(shù)值模擬，得到不同開度下閥芯所對(duì)應(yīng)的理想流量特性曲線以及流量與壓降的關(guān)系曲線［10］。 在此，筆者以頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，對(duì)其內(nèi)部三維流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬，根據(jù)壓力云圖、速度云圖和流線圖對(duì)不同開度下內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)特性進(jìn)行分析，最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

1 研究對(duì)象

頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥在管道系統(tǒng)中具有重要的控制作用，用于調(diào)節(jié)管路系統(tǒng)重流體的壓力和流量。 流體流經(jīng)套筒閥時(shí)，其流場(chǎng)中存在渦流、氣穴等一些復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，這對(duì)套筒閥流場(chǎng)特性的預(yù)估帶來很大困擾。 在以往工程實(shí)踐中，試驗(yàn)是解決這個(gè)問題的主要方法，但試驗(yàn)往往受到尺寸模型、流場(chǎng)干擾、測(cè)量精度及周期過長(zhǎng)等的限制。 為此，筆者以頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象， 運(yùn)用Fluent對(duì)其內(nèi)流道流場(chǎng)進(jìn)行模擬，通過數(shù)值模擬得到其內(nèi)流道的壓力、速度和流線分布規(guī)律，并進(jìn)行流量流阻試驗(yàn)，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證該數(shù)值模擬方法的可行性。

2 數(shù)值模擬

2.1 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是半經(jīng)驗(yàn)公式，其中k方程是精確方程，ε方程是由經(jīng)驗(yàn)公式導(dǎo)出的方程。 k-ε模型假定流場(chǎng)完全是湍流，可忽略分子間的粘性，因而標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型適用于完全是湍流的流場(chǎng)。 標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的方程為湍動(dòng)能方程k和擴(kuò)散方程ε［11］：

其中，ρ是流體密度，ui是時(shí)均速度，μ是動(dòng)量，μt是湍流粘度，Gk是由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，Gb是由浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，YM是可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)， 水作為不可壓縮流體YM=0，σk=1.0和σε=1.3分別是與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，Sk和Sε是用戶定義的源項(xiàng)。 針對(duì)空氣、水等常見介質(zhì)的基本湍流，通過大量的試驗(yàn)總結(jié)出標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型經(jīng)驗(yàn)常數(shù)C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09。

2.2 建模與網(wǎng)格劃分

通過三維建模軟件SolidWorks2018建立頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥的三維模型（圖1），該閥公稱尺寸為40 mm，結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度為251 mm，開啟行程為25 mm。

圖1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖

為了使閥內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)更穩(wěn)定，對(duì)閥兩端進(jìn)行加管處理，進(jìn)口端延長(zhǎng)2D、出口端延長(zhǎng)6D（D為閥門公稱直徑）；由于閥門的實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)Fluent模擬計(jì)算結(jié)果的收斂有一定程度的影響，為了便于計(jì)算，將一些對(duì)流體流動(dòng)產(chǎn)生影響較小的結(jié)構(gòu)做適當(dāng)簡(jiǎn)化處理， 建立相對(duì)開度為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%的分析模型， 在ANSYS Workench軟件中運(yùn)用DM（Design Modeler）模塊，將不同開度的分析模塊導(dǎo)入， 利用反向建模的方法抽取其內(nèi)部流道模型（圖2）。

圖2 頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥100%內(nèi)部流道模型

運(yùn)用預(yù)處理軟件ICEM對(duì)內(nèi)部流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖3）。 進(jìn)出口直管段采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，中間流道部分由于結(jié)構(gòu)不規(guī)則，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可能會(huì)存在較大的偽擴(kuò)散，造成極大的計(jì)算誤差，甚至是非物理解，而利用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格則不會(huì)存在此類問題；由于閥芯和閥座之間的流動(dòng)間隙較小，因此對(duì)閥芯和閥座之間的流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行局部加密，以提高計(jì)算效率的同時(shí)能更好地捕捉流動(dòng)細(xì)節(jié)。

圖3 調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道網(wǎng)格劃分

數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性不僅與網(wǎng)格質(zhì)量有關(guān)，還與網(wǎng)格的數(shù)量密切相關(guān)，選擇合理的網(wǎng)格數(shù)量可以在滿足計(jì)算精度的前提下提高計(jì)算效率，節(jié)約計(jì)算資源。 因此，進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證對(duì)選擇合理的網(wǎng)格數(shù)量尤為重要。 現(xiàn)對(duì)頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥50%開度下的模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果見表1、圖4。

表1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證曲線

從圖4可以看出， 網(wǎng)格數(shù)量小于3.0×106時(shí)質(zhì)量流量變化較大， 當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到3.0×106后，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量質(zhì)量流量基本保持不變，因此可以認(rèn)為網(wǎng)格數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了網(wǎng)格無關(guān)性，故網(wǎng)格數(shù)量選擇為3.0×106。 在后續(xù)的計(jì)算過程中，隨著開度的變化， 閥芯與閥座的間隙也在變化，網(wǎng)格數(shù)量也應(yīng)做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，保持網(wǎng)格數(shù)量與上述網(wǎng)格數(shù)量相差不大，這樣既能加快計(jì)算的速度又能保證計(jì)算的準(zhǔn)確度。

2.3 邊界條件設(shè)置

調(diào)節(jié)閥工作介質(zhì)為水， 采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，用SIMPLE算法和具有二階精度的迎風(fēng)格式進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算求解，邊界條件為壓力100 kPa，出口壓力0，壁面設(shè)置為光滑無滑移，殘差曲線精度設(shè)置為10-4；對(duì)入口流量和出口流量進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)殘差曲線基本保持不變且所檢測(cè)的物理量保持不變時(shí)可認(rèn)為模擬收斂。

3 結(jié)果分析

對(duì)頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥20%、40%、60%、70%、80%、100%相對(duì)開度下的閥內(nèi)部流體對(duì)稱面上的壓力、速度及流線等進(jìn)行流動(dòng)規(guī)律分析。

3.1 對(duì)稱面壓力云圖

圖5是頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥不同開度下的對(duì)稱面壓力云圖。

圖5 頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥不同開度下的壓力云圖

從圖5可以看出： 閥門相鄰開度的壓力分布具有相似性， 當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于20%～40%開度時(shí)，流體在閥門前部的延伸流場(chǎng)內(nèi)的壓降很小，調(diào)節(jié)閥的整個(gè)壓降主要集中在節(jié)流孔部位，在閥芯靠近出口位置出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)；當(dāng)達(dá)到70%開度時(shí)，節(jié)流孔處發(fā)生比較明顯的壓力梯度； 當(dāng)達(dá)到80%開度以后，不止節(jié)流孔周圍，節(jié)流孔下游處也有明顯的壓力變化。 說明調(diào)節(jié)閥在啟閉過程中閥芯和閥座之間的節(jié)流是產(chǎn)生壓降的重要因素之一。

3.2 對(duì)稱面速度云圖

圖6是頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥不同開度下的對(duì)稱面速度云圖。

圖6 頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥不同開度下的速度云圖

由圖6可知：當(dāng)調(diào)節(jié)閥處于20%～60%開度時(shí)，進(jìn)出口速度基本均勻，閥芯與閥座之間的節(jié)流區(qū)域會(huì)出現(xiàn)明顯的速度梯度，這是由于流體在通過節(jié)流孔部位時(shí)流動(dòng)面積突然減小， 出現(xiàn)射流，在節(jié)流口后出現(xiàn)高速區(qū)；當(dāng)開度達(dá)到70%以后，高速區(qū)出現(xiàn)在閥芯與套筒間，最大流速發(fā)生在閥芯出口側(cè)，隨著開度呈先增大后減小的趨勢(shì)；80%開度時(shí)，流速達(dá)到最大（16.85 m/s）。

閥體內(nèi)流體的最大速度出現(xiàn)在節(jié)流孔附近，高速流體對(duì)節(jié)流孔周圍沖擊會(huì)形成明顯的侵蝕區(qū)， 沖刷區(qū)附近的流速高于附近區(qū)域的流速，高速度和低速度在閥芯和套筒之間的區(qū)域混合，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用， 導(dǎo)致低速區(qū)域形成渦流， 并在對(duì)沖區(qū)域附近形成一個(gè)流速較低的區(qū)域，即低速空穴區(qū)。

3.3 對(duì)稱面流線圖

圖7是頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥不同開度下的對(duì)稱面流線圖。

圖7 頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥不同開度下的流線圖

從圖7可以看出， 在閥體中腔的右下側(cè)以及閥芯與套筒間、套筒與閥體間均有不同程度的漩渦產(chǎn)生，開度越小閥體中腔右下側(cè)產(chǎn)生漩渦的區(qū)域越大， 此區(qū)域只有部分流體參與主流流動(dòng)，其余流體相互碰撞造成能量損失。 流體流經(jīng)節(jié)流孔后，一部分流體形成漩渦在閥芯與套筒間繞流后從套筒窗口流出， 另一部分直接從套筒窗口流出，在套筒與閥體間產(chǎn)生漩渦。 在閥門出口位置由于過流斷面面積的增大， 流體流動(dòng)不穩(wěn)定，出現(xiàn)二次流， 隨著流道的延長(zhǎng)流體流動(dòng)逐漸平穩(wěn)，但此時(shí)流體呈螺旋態(tài)。

對(duì)比壓力云圖、 速度云圖和流線圖分析可知：壓力云圖中的低壓區(qū)、速度云圖中的高速區(qū)和流線圖中密集區(qū)的位置相互對(duì)應(yīng)，漩渦出現(xiàn)在高速區(qū)末端，表明流場(chǎng)中出現(xiàn)的漩渦區(qū)域?qū)毫退俣鹊淖兓泻艽笥绊懀瑫?huì)產(chǎn)生較大的能量損失，流阻系數(shù)增大；流體通過套筒后，流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，壓力和速度分布也比較均勻，在管道出口內(nèi)出現(xiàn)二次流， 呈螺旋態(tài)向下游流動(dòng)且逐漸消失；流體流經(jīng)節(jié)流孔時(shí)，能量損失主要是由流動(dòng)收縮產(chǎn)生的。

3.4 流量系數(shù)和流阻系數(shù)

計(jì)算流量系數(shù)和流阻系數(shù)的結(jié)果見表2。 由表2可知，在壓差近似不變時(shí)，頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥的流量、流速和流量系數(shù)隨著相對(duì)開度的增大而增大，流阻系數(shù)隨著開度的增大而減小。

表2 頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)和流阻系數(shù)

4 閥門流量流阻試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)是在閥門流量流阻測(cè)試裝置中完成的，該試驗(yàn)裝置測(cè)量范圍廣，適用于各類通用閥門的流量系數(shù)、流阻系數(shù)和流量特性測(cè)試。 試驗(yàn)采用變頻泵并聯(lián)和穩(wěn)壓罐供水技術(shù)， 其穩(wěn)壓效果好。裝置配有高精度傳感器和先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集器，可以同時(shí)采集流量、壓力、壓差及溫度等數(shù)據(jù)。 其測(cè)試軟件功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，能夠提高閥門流阻測(cè)試的效率和自動(dòng)化水平。

4.2 試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

按 照GB/T 17213.9—2005/IEC 60534-2-3：1997《工業(yè)過程控制閥 第2-3部分：流通能力 試驗(yàn)程序》的要求安裝試驗(yàn)閥和完成試驗(yàn)程序。 在閥前與閥后2D和6D的位置（D為被測(cè)閥門的公稱直徑）設(shè)置取壓孔，測(cè)試介質(zhì)為水［12，13］。

流量系數(shù)、流阻系數(shù)的模擬值與試驗(yàn)值之間的相對(duì)偏差計(jì)算式如下：

將模擬所得的流量系數(shù)、流阻系數(shù)與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8、9所示。

由圖8、9可得， 數(shù)值模擬與試驗(yàn)所得的流量系數(shù)在不同開度下的變化趨勢(shì)基本相近，最大偏差值為-4.94%，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的±5%；數(shù)值模擬與試驗(yàn)所得的流阻系數(shù)在不同開度下的變化趨勢(shì)基本相近，最大偏差值為-5.18%。 說明數(shù)值模擬得到的流量系數(shù)與流阻系數(shù)符合調(diào)節(jié)閥的實(shí)際調(diào)節(jié)特性，同時(shí)也驗(yàn)證了數(shù)值模擬計(jì)算方法的可靠性。

圖9 頂導(dǎo)向套筒單座調(diào)節(jié)閥流阻系數(shù)試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比

5 結(jié)論

5.1 通過閥門壓降分析看出，流體在閥門前部的延伸流場(chǎng)內(nèi)的壓降很小，調(diào)節(jié)閥的整個(gè)壓降主要集中在節(jié)流孔部位，節(jié)流孔處發(fā)生比較明顯的壓力梯度。 由此可得，調(diào)節(jié)閥在啟閉過程中閥芯和閥座之間的節(jié)流是產(chǎn)生壓降的重要因素之一。

5.2 由不同開度下速度分析結(jié)果可以看出，進(jìn)出口速度基本均勻，閥芯與閥座之間的節(jié)流區(qū)域出現(xiàn)明顯的速度梯度，閥體內(nèi)流體的最大速度出現(xiàn)在節(jié)流孔附近，高速流動(dòng)對(duì)節(jié)流孔周圍沖擊形成明顯的侵蝕區(qū)，高速流和低速流在閥芯和套筒之間混合，從而產(chǎn)生強(qiáng)烈的剪切作用，導(dǎo)致低速區(qū)域形成渦流，在對(duì)沖區(qū)域附近形成低速空穴區(qū)。

5.3 在閥體中腔的右下側(cè)以及閥芯與套筒間、套筒與閥體間均有不同程度的漩渦產(chǎn)生，開度越小閥體中腔右下側(cè)產(chǎn)生漩渦的區(qū)域越大。 在閥門出口位置出現(xiàn)二次流，隨著流道的延長(zhǎng)流體流動(dòng)逐漸平穩(wěn)，但此時(shí)流體呈螺旋態(tài)流動(dòng)。

5.4 對(duì)比壓力云圖、速度云圖和流線圖可知，低壓區(qū)、高速區(qū)和流線密集區(qū)的位置相互對(duì)應(yīng)，漩渦出現(xiàn)在高速區(qū)末端， 表明流場(chǎng)中出現(xiàn)的漩渦區(qū)域?qū)毫退俣鹊淖兓泻艽笥绊懀?導(dǎo)致能量損失增大，流阻系數(shù)增大，能量損失主要由流動(dòng)收縮產(chǎn)生。

5.5 將流量系數(shù)和流阻系數(shù)的數(shù)值模擬值與試驗(yàn)值分別進(jìn)行對(duì)比，其相對(duì)偏差滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的±5%，說明數(shù)值模擬計(jì)算方法可行、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確。