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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(diào)節(jié)閥是自動化技術中zui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(diào)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(diào)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(diào)節(jié)流量的作用。本文通過ANSYSWorkbench軟件（Fluent分析模塊）數(shù)值模擬某一種型號調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流體的流量、壓力等物理量變化情況，分析調(diào)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(diào)節(jié)閥結構如圖1所示。調(diào)節(jié)閥種類繁多，結構多種多樣，內(nèi)部結構復雜，而且調(diào)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(nèi)部的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(jīng)成為一種普遍應用的工程分析技術。計算流體動力學的發(fā)展為人們很好地了解閥門內(nèi)部流體的流動情況提供了很好的途徑。
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數(shù)學模型的建立
在流體運動中遵循三個zui基本的守恒方程，即質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律。通過網(wǎng)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。
連續(xù)性方程的微分形式為：
連續(xù)性方程又稱質(zhì)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。
對于理想氣體，
對于不可壓縮氣體，
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調(diào)節(jié)閥流道結構建模與網(wǎng)格劃分
2.1 調(diào)節(jié)閥流道的結構建模
本文采用某型號調(diào)節(jié)閥，運用三維建模軟件建立調(diào)節(jié)閥的實體模型，通過布爾運算抽取調(diào)節(jié)閥及加長管道部分。為了更好更準確地模擬閥體內(nèi)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250mm（約為管道直徑的5倍）。圖2所示為調(diào)節(jié)閥開度為10%時流道的剖面實體模型。
圖2 調(diào)節(jié)閥10%開度時流道剖面
2.2 計算網(wǎng)格的劃分
將調(diào)節(jié)閥流道的三維實體模型導入ANSYSWorkbench（網(wǎng)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(wǎng)格時采用非結構化的四面體網(wǎng)格。劃分后的網(wǎng)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(diào)節(jié)閥開度為10%的流道網(wǎng)格劃分如圖3所示。
圖3 調(diào)節(jié)閥流道網(wǎng)格
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數(shù)值計算與結果分析
3.1 邊界條件設置
將處理后的網(wǎng)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0.4MPa、0.55MPa、0.66MPa、0.7MPa，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。
表1 不同開度和不同壓差下數(shù)值模擬的流量系數(shù)值
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(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨開度的增加而增大，開度越大調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)也越大，當調(diào)節(jié)閥為全開狀態(tài)時流量系數(shù)zui大。在同一開度條件下，調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)節(jié)閥前后的壓差作用，調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)節(jié)閥流量特性有下降趨勢。
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
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數(shù)值模擬結果分析
對開度為50%時調(diào)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0.4MPa、0.6MPa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zui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(chǎn)生渦漩造成的。在閥門的進出口位置和閥腔內(nèi)流體流動比較均勻，壓力和速度值保持恒定。流體的zui大流速還與閥的前后壓差成正比關系，隨調(diào)節(jié)閥前后壓差的增大而增大，并且調(diào)節(jié)閥的zui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zui大的部位流體壓力值zui小。
圖5 不同壓差下的壓力云圖
圖6 0.4MPa壓差時的速度等值線圖
圖7 0.6MPa壓差時的速度等值線圖
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結論
由上述分析結果可知，調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)隨調(diào)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(diào)節(jié)閥壓差的改變對調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)值的變化影響不大。調(diào)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(diào)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(chǎn)生縮流，該處流體速度增大，但靜壓減小。
主營產(chǎn)品；電動二通閥、電動三通閥、比例積分電動兩通閥、蒸汽電動調(diào)節(jié)閥、閘閥、球閥、蝶閥、截止閥、止回閥、、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、安全閥、電磁閥、減壓閥、疏水閥、過濾器、隔膜閥、阻火器、呼吸閥、針型閥、平板閘閥、刀型閘閥、電動閘閥、氣動閘閥、電動球閥、氣動球閥、電動蝶閥、氣動蝶閥、電動二通閥、高溫閥門、高溫閥門、自密封閘閥，電廠脫硫閥門，減溫減壓裝置，鋁廠閥，固定式球閥，液控蝶閥，超高溫蝶閥、工業(yè)閥門、樓宇自控閥、水力控制閥、大口徑閥門、不鏽鋼閥門等國標、日標、美標的閥門。
