阀门出口形状对套筒调节阀调控特性的影响

为了满足管道系统调节性能的要求，本文基于计算流体力学（CFD），研究了阀口节流截面形状对套筒调节阀调控的影响。讨论了椭圆型阀口、V 型阀口和扇形阀口 3 种类型的节流阀。结果表明，流道的几何形状对流量系数影响很大；V 形阀口具有类似的等百分比流量特性；扇形阀口具有类似的线性流动特性。相对特性随截面形状的变化而变化。在小开口时，阀门的内部流动更为复杂。阀芯附近的能量损失相对较大。

符号说明

ρ--流体密度，kg/m3；
U--速度，m/s；
τij--平均流动的黏性剪切应力；
τij′--由速度波动引起的雷诺应力； d ——阀门进出口直径，m；
D ——管道直径，m；
G ——能量传递速率，W/（K•s）； k ——湍动能，J； K ——流量系数；
P ——静压值，Pa；
Q ——体积流量，m3/h； β——常量，β =0.09；
Δp ——压差，Pa；
ε——湍动能耗散率，%;
κ ——熵产指数；
i，j ——下标，笛卡尔坐标系中的 3 个方向。

引言

控制阀主要用于控制管道系统中的流体流动。 套筒调节阀是控制阀门的一种，其特点是内部结构复杂，流量特性由流通截面决定。但是，单流量特性的限制了阀门的使用范围，对套筒调节阀不同节流段的流量特性进行研究，可以为调节阀的优化提供参考。



Guillermo 等［1］，使用计算流体动力学（CFD）评估了几何形状对3D 控制阀性能的影响。Bruce 等 [2]提出了一个模型测试程序，该程序可用来确定闸阀噪声源。Jazi 等［3］研究了阀座几何形状引起的空化声学波形，对识别球阀内的空化具有很［4］开发了一种用于不同类型和扇形阀口（如图 2 所示）型液压阀的流动参数化建模的方法。



Claudio［5］研究了通过球阀和闸阀的流量，并改进了两相流条件下的压降计算模型。Dazhuan 等 6 引入 CFD 方法拟合压力控制阀的流量 压力曲线，通过实验验证了仿真结果的准确性。 Garcia-Sandoval 等［7］利用热力学对阀内熵产生的 Lyapunov 候选函数进行了分析，并提出了一种基于阀内熵产生的系统。计算流体动力学（CFD）技术是分析流体机［ ］械内部流场的一种成熟方法 8-11 。本文采用基于有限体积法的商业软件 FLUENT 分析了套筒调节阀内部流动特性和相关系数。

1 数值模拟方法

湍流被认为是具有不规则旋转的高度复杂的三维非定常流动。使用标准 k-ε 湍流模型，基本控制方程主要由连续性方程和 Navier-Stokes 方程组成。 连续性方程［12］可以写成：



Navier-Stokes 方程［13］可以表示为：



计算网格如图 3 所示。为了提高仿真效率，采用了结构网格与非结构网格相结合的混合网格技术，引用 SIMPLEC 算法以提高计算精度，上游和下游管道长度为 10D（D，管道的直径），不同开度，不同阀口的网格数从 302 万到 315 万不等。为了验证网格数对计算结果的影响，研究了 3 种不同数量的网格。表 1 为网格无关性验证结果，在全开工况下，阀门上游 2D 和下游 6D 之间监测压降。结果表明，当网格数超过 300 万时，压降相似。为了提高计算的效率和精度，数值模拟采用了 300 万网格模型。





流量系数

流量系数是表征阀门流量的重要参数。流量系数［1］可表示为：K = Q(ρ/ ∆p)1 2/ （3） 如图 4 所示，流量系数随着阀门开度的增加而增加。结果表明，椭圆形阀口套筒调节阀的流量系数在试验和数值模拟之间具有良好的一致性，也验证了 FLUENT 软件用于模拟阀门内部流动的可行性。V 形阀口的流量系数接近等百分比流量特性曲线。当阀门开度低于 80％时，扇形阀口阀门的流量系数接近线性流量特性曲线。在相同的开度下，流动横截面越大，流量系数越大，并且发现通过改变阀口的形状可以获得不同的流量特性曲线。

能量损失分析

阀口形状的变化会导致流量系数的变化，同时也会导致内部流动特性的变化。本文采用熵产率 EPR 分析阀门内部的能量损失。EPR 的值表示由回流引起的能量损失的大小。Deyou 等［14］提供了熵产方程。具体的熵产率可表示为：SD′′′ = G /T （4）

时均运动产生的熵产率可表示为：

SD′′′ = 2µTeff  ∂∂ux11  2 + ∂∂ux22 2 +  ∂∂ux33 2 + µTeff   ∂ ×  ∂ux12 + ∂∂xu21  2 +  ∂∂ux13 + ∂∂xu31 2 +   ∂∂ux32 + ∂∂ux23   SD′′′′ = βρεTk

图 5 显示了中间平面的熵产率的分布。EPR 值的对数可以直观地反映阀门内的能量损失。当流体流过阀腔时，流体冲击阀体，这将导致流动方向的急剧变化和能量损失的增加。高 EPR 区域位于阀口附近，这意味着在该位置产生最大的能量损失。V 形阀口 EPR 值最大，椭圆形阀口仅次之，开度为 20％扇形阀口的 EPR 值最小。随着阀门开度的增加，EPR 值减小，V 形阀口的最大 EPR 值大于半开状态下的其他阀门。在相同流动截面积的情况下，全开时不同阀口的 EPR 分布规律是相似的。

压力分布

创建一个水平通过阀口的的平面，命名为 α，以分析压力的变化。图 6 显示了α 平面的压力分布情况。可以观察到，阀瓣内的压力值明显高于其他区域。在一定流量下，流动截面积越小，阀瓣内部的压力值越大。当阀门开度处于 20％和半开时，V 形阀口的流动截面积最小，阀门内部的压力值高于其它阀口。椭圆形阀口和扇形阀口调节阀的压力分布在半开时相似，并且在左阀口壁附近存在高压区域。当完全打开时，不同阀口形状的的阀门有着基本相似压力分布。

速度分布

α 平面的速度分布如图 7 所示。阀口内的流速大于其他区域。当阀门开度处于20％和半开时， V 形阀口的出口速度大于其它阀口的出口速度。虽然具有 V 形阀口阀门的流量系数接近等百分比流量特性曲线，但是冲击阀门内部阀体的高速 内的速度随着阀门开度的增加而减小。当阀门全流动会加速阀门的损坏。在相同的流速下，阀口 开时，不同阀口阀门的速度都达到最大。







结束

本文研究了阀口形状对套筒调节阀调控特性的影响。通过改变阀口的形状获得不同的流动特性，与试验结果的比较，验证了仿真结果的正确性，V 形阀口和扇形阀口的流量系数分别接近等百分比流量特性曲线和线性流动特性曲线。结果表明，流量系数在一定程度上取决于流动横截面的大小，通过改变流动横截面可获得理想的流动特性曲线，流动横截面越小，阀门内部的速度越大，流体对阀门的影响就越大，本文的研究可为套筒调节阀的设计提供指导。