供氣調節閥內部流場瞬態數值模擬研究

邱宏軍

摘 要：文章利用自編UDF程序對供氣調節閥變壓差工況進行瞬態數值模擬，得到流量隨進出口壓差的減小而減小；在壓差較小時，流量的變化對壓差的變化更敏感。利用UDF程序與動網格技術，控制閥芯的運動，對閥門的開啟與關閉過程進行數值模擬分析，得到閥門內流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開度較小時，閥門內流量的變化對閥芯的運動更加敏感。

關鍵詞：供氣調節閥；瞬態數值模擬；壓差

前言

供氣調節閥是一種控制調節元件，是實現管道系統安全經濟輸送的重要設備[1]。對其出口壓力瞬變、閥開啟和關閉情況進行詳細的了解，對系統的安全和經濟性具有重要意義。本文利用自編UDF程序對供氣調節閥變壓差工況進行瞬態數值模擬及不同時刻流場進行分析；利用UDF程序與動網格技術，控制閥芯運動來對閥開啟與關閉過程進行數值模擬分析。

1 出口壓力變化的瞬態數值模擬

對閥門出口壓力變化時的瞬態過程進行數值模擬研究，對過程中的流場進行分析。

1.1 瞬態數值模擬的條件

通過閥門向儲氣筒充過熱蒸汽，則閥門出口壓力即為儲氣筒的壓力。閥門進口壓力保持不變 ，為1.2MPa，過熱蒸汽溫度為350℃，充氣過程中充氣時間為39s，即閥門出口壓力（儲氣筒的壓力）在39s內由0.7MPa升至1.2MPa，充氣過程結束。在充氣過程中，壓力隨時間的變化近似為直線變化過程。流動時間t<39s時可用方程p=1.28×e4×t+7×e5表示出口壓力隨時間的變化。當t≥39s時出口壓力維持在1.2MPa。

1.2 編寫UDF程序和求解設置

根據以上條件編制UDF程序并對對所有區域進行初始化，迭代時間步長為0.1s，時步數為400，最大迭代數為500，設置每5個時間步，開始迭代運算。

2 計算結果及流場分析

2.1 全開度流量計算

全開時流量隨時間變化是在39s內，隨著出口壓力的增大，流量呈下降趨勢。在35s（出口壓力約為1.15MPa，質量流量約為0.4kg/s）內，流量下降較為平緩，在35s至39s之間，流量下降較快。在出口壓力變化的過程中，流過閥門的過熱蒸汽的最大流量約為1.06kg/s，且此時閥門進出口的壓差最大，在39s時流量變為0，此時進出口的壓差為0。由此可得出，工質不變且閥門開度不變的情況下，閥門流量與進出口的壓差有關，壓差越大，流量也越大。

2.2 全開度流場數值模擬及分析

（a）10s時的壓力云圖 （b）20s時的壓力云圖

圖1 全開度條件下不同時刻壓力云圖（MPa）

（a） 10s時的速度云圖 （b） 20s時的速度云圖

圖2 全開度不同時刻速度云圖（m/s）

調節閥各個時刻的壓力與速度云圖如圖1、圖2所示。從圖中可得，隨著時間的推移出口壓力逐漸增大，進出口壓差逐漸減小，此時閥腔內壓力升高，節流處的壓力梯度減小，并且閥腔內的整體流速隨著壓差的減小而降低，節流處減壓增速效果減弱。

3 閥門開啟與關閉動態過程數值模擬

對閥門開啟與關閉動態過程進行數值模擬，閥芯的運動速度為0.003m/s，進口壓力保持在1.2MPa，出口壓力保持在0.7MPa，工質為385℃的過熱蒸汽。利用UDF程序控制閥芯的運動規律[2]，得到不同時刻的流場可視化圖形。關閉過程從全開狀態開始計算，開啟過程從10%小開度（閥門升程為3mm）開始計算。動態計算過程采用了動網格技術。在啟閉過程中，上下閥腔內的網格受到拉伸、壓縮和重構。由于目前還不能把動網格厚度壓縮為零，所以瞬態計算還不能模擬完全閉合的狀態[3]。

3.1 關閉過程數值模擬

3.1.1 程序的編寫和求解設置

編制UDF程序來控制閥芯的運動。關閉過程閥芯運動速度為0.003m/s，從全開度到接近閉合所需時間為10s。對所有區域進行初始化，迭代時間步長為0.01s，時間步數為1000步，最大迭代數為500，設置每10個時間步對數據自動保存，開始迭代運算。

3.1.2 結果分析

在閥門關閉前穩態狀態下的流量為1.12kg/s。隨著閥芯向下運動，流量減小。關閉的前半階段流量變化緩慢，在1到5秒內流量為最大流量的1/4，而在后半階段，流量變化較快，在5到10秒內減小了約為最大流量的3/4。這是受閥芯形狀的影響，進出口壓差一定時，流量取決于節流面積；而在后半階段，閥芯下降節流面積變化較大，導致流量的下降速度變快。

3.1.3 各時刻流場數值模擬分析

各時刻流場壓力與速度云圖可知，各時刻即閥芯開度為20%、40%、60%與80%，閥芯升程6mm、12mm、18mm與24mm。在閥芯下降中，蒸汽流過閥芯是都有減壓增速的效果。隨著閥芯的下降，高速區域的范圍逐漸減小，且閥腔整體流速降低，進出口流道內的壓力越來越均勻。

3.2 開啟過程數值模擬

3.2.1 程序編寫和求解設置

閥門開啟過程UDF程序如下，程序用來控制閥芯的運動，閥芯運動速度為0.003m/s，從10%開度到全開度運動時間為9s。對所有區域進行初始化，迭代時間步長為0.01s，時間步數為900步，最大迭代數為500，設置每10個時間步對數據自動保存，開始迭代運算。

3.2.2 結果分析

在閥門開啟前，閥門為10%開度，流量為0.15kg/s。隨著閥芯向上運動，流量相應增加。在開啟過程的前半階段，流量增加較快，而在開啟的后半階段，流量增加緩慢。閥門在開啟過程結束時達到最大流量1.12kg/s。與關閉過程的分析相同，流量的變化受到閥芯形狀的影響，在開啟過程的前半階段，閥門開度較小，流量隨之變化較大。而在開啟過程的后半階段，閥芯運動單位升程所引起的節流面積的變化較小，因而流量的變化小。

4 結束語

本文首先利用UDF程序控制閥門出口的壓力變化，得到了流量在出口壓力連續變化的條件下隨時間變化的情況。又利用動網格技術用UDF程序控制閥芯的運動，得到了流量在開啟關閉過程中的動態特性。得到結論如下：

（1）閥門流量隨著進出口壓差的連續變化而連續變化，且流量隨著壓差的減小而減?。辉趬翰钶^小時，流量的變化對壓差的變化更敏感。

（2）閥門開啟與關閉過程中，流量隨開度的變化而變化，且流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開度較小時，閥門流量的變化對閥芯的運動更加敏感。

參考文獻

[1]劉剛，方金春，雍歧衛.調節閥動態特性的數值模擬[J].閥門，2004（4）：8-14.

[2]Johnson D A，King L S.Amathematical simple turbulence closure method for attached and seperated turbulent boundary layers.AIAA[J].1985，23（11）：1684-1692.

[3]石娟，姚征，馬明軒.調節閥內三維流動與啟閉過程的數值模擬及分析[J].上海理工大學學報，2005，37（6）：498-502.endprint

摘 要：文章利用自編UDF程序對供氣調節閥變壓差工況進行瞬態數值模擬，得到流量隨進出口壓差的減小而減??；在壓差較小時，流量的變化對壓差的變化更敏感。利用UDF程序與動網格技術，控制閥芯的運動，對閥門的開啟與關閉過程進行數值模擬分析，得到閥門內流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開度較小時，閥門內流量的變化對閥芯的運動更加敏感。

關鍵詞：供氣調節閥；瞬態數值模擬；壓差

前言

供氣調節閥是一種控制調節元件，是實現管道系統安全經濟輸送的重要設備[1]。對其出口壓力瞬變、閥開啟和關閉情況進行詳細的了解，對系統的安全和經濟性具有重要意義。本文利用自編UDF程序對供氣調節閥變壓差工況進行瞬態數值模擬及不同時刻流場進行分析；利用UDF程序與動網格技術，控制閥芯運動來對閥開啟與關閉過程進行數值模擬分析。

1 出口壓力變化的瞬態數值模擬

對閥門出口壓力變化時的瞬態過程進行數值模擬研究，對過程中的流場進行分析。

1.1 瞬態數值模擬的條件

通過閥門向儲氣筒充過熱蒸汽，則閥門出口壓力即為儲氣筒的壓力。閥門進口壓力保持不變 ，為1.2MPa，過熱蒸汽溫度為350℃，充氣過程中充氣時間為39s，即閥門出口壓力（儲氣筒的壓力）在39s內由0.7MPa升至1.2MPa，充氣過程結束。在充氣過程中，壓力隨時間的變化近似為直線變化過程。流動時間t<39s時可用方程p=1.28×e4×t+7×e5表示出口壓力隨時間的變化。當t≥39s時出口壓力維持在1.2MPa。

1.2 編寫UDF程序和求解設置

根據以上條件編制UDF程序并對對所有區域進行初始化，迭代時間步長為0.1s，時步數為400，最大迭代數為500，設置每5個時間步，開始迭代運算。

2 計算結果及流場分析

2.1 全開度流量計算

全開時流量隨時間變化是在39s內，隨著出口壓力的增大，流量呈下降趨勢。在35s（出口壓力約為1.15MPa，質量流量約為0.4kg/s）內，流量下降較為平緩，在35s至39s之間，流量下降較快。在出口壓力變化的過程中，流過閥門的過熱蒸汽的最大流量約為1.06kg/s，且此時閥門進出口的壓差最大，在39s時流量變為0，此時進出口的壓差為0。由此可得出，工質不變且閥門開度不變的情況下，閥門流量與進出口的壓差有關，壓差越大，流量也越大。

2.2 全開度流場數值模擬及分析

（a）10s時的壓力云圖 （b）20s時的壓力云圖

圖1 全開度條件下不同時刻壓力云圖（MPa）

（a） 10s時的速度云圖 （b） 20s時的速度云圖

圖2 全開度不同時刻速度云圖（m/s）

調節閥各個時刻的壓力與速度云圖如圖1、圖2所示。從圖中可得，隨著時間的推移出口壓力逐漸增大，進出口壓差逐漸減小，此時閥腔內壓力升高，節流處的壓力梯度減小，并且閥腔內的整體流速隨著壓差的減小而降低，節流處減壓增速效果減弱。

3 閥門開啟與關閉動態過程數值模擬

對閥門開啟與關閉動態過程進行數值模擬，閥芯的運動速度為0.003m/s，進口壓力保持在1.2MPa，出口壓力保持在0.7MPa，工質為385℃的過熱蒸汽。利用UDF程序控制閥芯的運動規律[2]，得到不同時刻的流場可視化圖形。關閉過程從全開狀態開始計算，開啟過程從10%小開度（閥門升程為3mm）開始計算。動態計算過程采用了動網格技術。在啟閉過程中，上下閥腔內的網格受到拉伸、壓縮和重構。由于目前還不能把動網格厚度壓縮為零，所以瞬態計算還不能模擬完全閉合的狀態[3]。

3.1 關閉過程數值模擬

3.1.1 程序的編寫和求解設置

編制UDF程序來控制閥芯的運動。關閉過程閥芯運動速度為0.003m/s，從全開度到接近閉合所需時間為10s。對所有區域進行初始化，迭代時間步長為0.01s，時間步數為1000步，最大迭代數為500，設置每10個時間步對數據自動保存，開始迭代運算。

3.1.2 結果分析

在閥門關閉前穩態狀態下的流量為1.12kg/s。隨著閥芯向下運動，流量減小。關閉的前半階段流量變化緩慢，在1到5秒內流量為最大流量的1/4，而在后半階段，流量變化較快，在5到10秒內減小了約為最大流量的3/4。這是受閥芯形狀的影響，進出口壓差一定時，流量取決于節流面積；而在后半階段，閥芯下降節流面積變化較大，導致流量的下降速度變快。

3.1.3 各時刻流場數值模擬分析

各時刻流場壓力與速度云圖可知，各時刻即閥芯開度為20%、40%、60%與80%，閥芯升程6mm、12mm、18mm與24mm。在閥芯下降中，蒸汽流過閥芯是都有減壓增速的效果。隨著閥芯的下降，高速區域的范圍逐漸減小，且閥腔整體流速降低，進出口流道內的壓力越來越均勻。

3.2 開啟過程數值模擬

3.2.1 程序編寫和求解設置

閥門開啟過程UDF程序如下，程序用來控制閥芯的運動，閥芯運動速度為0.003m/s，從10%開度到全開度運動時間為9s。對所有區域進行初始化，迭代時間步長為0.01s，時間步數為900步，最大迭代數為500，設置每10個時間步對數據自動保存，開始迭代運算。

3.2.2 結果分析

在閥門開啟前，閥門為10%開度，流量為0.15kg/s。隨著閥芯向上運動，流量相應增加。在開啟過程的前半階段，流量增加較快，而在開啟的后半階段，流量增加緩慢。閥門在開啟過程結束時達到最大流量1.12kg/s。與關閉過程的分析相同，流量的變化受到閥芯形狀的影響，在開啟過程的前半階段，閥門開度較小，流量隨之變化較大。而在開啟過程的后半階段，閥芯運動單位升程所引起的節流面積的變化較小，因而流量的變化小。

4 結束語

本文首先利用UDF程序控制閥門出口的壓力變化，得到了流量在出口壓力連續變化的條件下隨時間變化的情況。又利用動網格技術用UDF程序控制閥芯的運動，得到了流量在開啟關閉過程中的動態特性。得到結論如下：

（1）閥門流量隨著進出口壓差的連續變化而連續變化，且流量隨著壓差的減小而減??；在壓差較小時，流量的變化對壓差的變化更敏感。

（2）閥門開啟與關閉過程中，流量隨開度的變化而變化，且流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開度較小時，閥門流量的變化對閥芯的運動更加敏感。

參考文獻

[1]劉剛，方金春，雍歧衛.調節閥動態特性的數值模擬[J].閥門，2004（4）：8-14.

[2]Johnson D A，King L S.Amathematical simple turbulence closure method for attached and seperated turbulent boundary layers.AIAA[J].1985，23（11）：1684-1692.

[3]石娟，姚征，馬明軒.調節閥內三維流動與啟閉過程的數值模擬及分析[J].上海理工大學學報，2005，37（6）：498-502.endprint

摘 要：文章利用自編UDF程序對供氣調節閥變壓差工況進行瞬態數值模擬，得到流量隨進出口壓差的減小而減??；在壓差較小時，流量的變化對壓差的變化更敏感。利用UDF程序與動網格技術，控制閥芯的運動，對閥門的開啟與關閉過程進行數值模擬分析，得到閥門內流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開度較小時，閥門內流量的變化對閥芯的運動更加敏感。

關鍵詞：供氣調節閥；瞬態數值模擬；壓差

前言

供氣調節閥是一種控制調節元件，是實現管道系統安全經濟輸送的重要設備[1]。對其出口壓力瞬變、閥開啟和關閉情況進行詳細的了解，對系統的安全和經濟性具有重要意義。本文利用自編UDF程序對供氣調節閥變壓差工況進行瞬態數值模擬及不同時刻流場進行分析；利用UDF程序與動網格技術，控制閥芯運動來對閥開啟與關閉過程進行數值模擬分析。

1 出口壓力變化的瞬態數值模擬

對閥門出口壓力變化時的瞬態過程進行數值模擬研究，對過程中的流場進行分析。

1.1 瞬態數值模擬的條件

通過閥門向儲氣筒充過熱蒸汽，則閥門出口壓力即為儲氣筒的壓力。閥門進口壓力保持不變 ，為1.2MPa，過熱蒸汽溫度為350℃，充氣過程中充氣時間為39s，即閥門出口壓力（儲氣筒的壓力）在39s內由0.7MPa升至1.2MPa，充氣過程結束。在充氣過程中，壓力隨時間的變化近似為直線變化過程。流動時間t<39s時可用方程p=1.28×e4×t+7×e5表示出口壓力隨時間的變化。當t≥39s時出口壓力維持在1.2MPa。

1.2 編寫UDF程序和求解設置

根據以上條件編制UDF程序并對對所有區域進行初始化，迭代時間步長為0.1s，時步數為400，最大迭代數為500，設置每5個時間步，開始迭代運算。

2 計算結果及流場分析

2.1 全開度流量計算

全開時流量隨時間變化是在39s內，隨著出口壓力的增大，流量呈下降趨勢。在35s（出口壓力約為1.15MPa，質量流量約為0.4kg/s）內，流量下降較為平緩，在35s至39s之間，流量下降較快。在出口壓力變化的過程中，流過閥門的過熱蒸汽的最大流量約為1.06kg/s，且此時閥門進出口的壓差最大，在39s時流量變為0，此時進出口的壓差為0。由此可得出，工質不變且閥門開度不變的情況下，閥門流量與進出口的壓差有關，壓差越大，流量也越大。

2.2 全開度流場數值模擬及分析

（a）10s時的壓力云圖 （b）20s時的壓力云圖

圖1 全開度條件下不同時刻壓力云圖（MPa）

（a） 10s時的速度云圖 （b） 20s時的速度云圖

圖2 全開度不同時刻速度云圖（m/s）

調節閥各個時刻的壓力與速度云圖如圖1、圖2所示。從圖中可得，隨著時間的推移出口壓力逐漸增大，進出口壓差逐漸減小，此時閥腔內壓力升高，節流處的壓力梯度減小，并且閥腔內的整體流速隨著壓差的減小而降低，節流處減壓增速效果減弱。

3 閥門開啟與關閉動態過程數值模擬

對閥門開啟與關閉動態過程進行數值模擬，閥芯的運動速度為0.003m/s，進口壓力保持在1.2MPa，出口壓力保持在0.7MPa，工質為385℃的過熱蒸汽。利用UDF程序控制閥芯的運動規律[2]，得到不同時刻的流場可視化圖形。關閉過程從全開狀態開始計算，開啟過程從10%小開度（閥門升程為3mm）開始計算。動態計算過程采用了動網格技術。在啟閉過程中，上下閥腔內的網格受到拉伸、壓縮和重構。由于目前還不能把動網格厚度壓縮為零，所以瞬態計算還不能模擬完全閉合的狀態[3]。

3.1 關閉過程數值模擬

3.1.1 程序的編寫和求解設置

編制UDF程序來控制閥芯的運動。關閉過程閥芯運動速度為0.003m/s，從全開度到接近閉合所需時間為10s。對所有區域進行初始化，迭代時間步長為0.01s，時間步數為1000步，最大迭代數為500，設置每10個時間步對數據自動保存，開始迭代運算。

3.1.2 結果分析

在閥門關閉前穩態狀態下的流量為1.12kg/s。隨著閥芯向下運動，流量減小。關閉的前半階段流量變化緩慢，在1到5秒內流量為最大流量的1/4，而在后半階段，流量變化較快，在5到10秒內減小了約為最大流量的3/4。這是受閥芯形狀的影響，進出口壓差一定時，流量取決于節流面積；而在后半階段，閥芯下降節流面積變化較大，導致流量的下降速度變快。

3.1.3 各時刻流場數值模擬分析

各時刻流場壓力與速度云圖可知，各時刻即閥芯開度為20%、40%、60%與80%，閥芯升程6mm、12mm、18mm與24mm。在閥芯下降中，蒸汽流過閥芯是都有減壓增速的效果。隨著閥芯的下降，高速區域的范圍逐漸減小，且閥腔整體流速降低，進出口流道內的壓力越來越均勻。

3.2 開啟過程數值模擬

3.2.1 程序編寫和求解設置

閥門開啟過程UDF程序如下，程序用來控制閥芯的運動，閥芯運動速度為0.003m/s，從10%開度到全開度運動時間為9s。對所有區域進行初始化，迭代時間步長為0.01s，時間步數為900步，最大迭代數為500，設置每10個時間步對數據自動保存，開始迭代運算。

3.2.2 結果分析

在閥門開啟前，閥門為10%開度，流量為0.15kg/s。隨著閥芯向上運動，流量相應增加。在開啟過程的前半階段，流量增加較快，而在開啟的后半階段，流量增加緩慢。閥門在開啟過程結束時達到最大流量1.12kg/s。與關閉過程的分析相同，流量的變化受到閥芯形狀的影響，在開啟過程的前半階段，閥門開度較小，流量隨之變化較大。而在開啟過程的后半階段，閥芯運動單位升程所引起的節流面積的變化較小，因而流量的變化小。

4 結束語

本文首先利用UDF程序控制閥門出口的壓力變化，得到了流量在出口壓力連續變化的條件下隨時間變化的情況。又利用動網格技術用UDF程序控制閥芯的運動，得到了流量在開啟關閉過程中的動態特性。得到結論如下：

（1）閥門流量隨著進出口壓差的連續變化而連續變化，且流量隨著壓差的減小而減??；在壓差較小時，流量的變化對壓差的變化更敏感。

（2）閥門開啟與關閉過程中，流量隨開度的變化而變化，且流量的變化受到閥芯形狀的影響；在開度較小時，閥門流量的變化對閥芯的運動更加敏感。

參考文獻

[1]劉剛，方金春，雍歧衛.調節閥動態特性的數值模擬[J].閥門，2004（4）：8-14.

[2]Johnson D A，King L S.Amathematical simple turbulence closure method for attached and seperated turbulent boundary layers.AIAA[J].1985，23（11）：1684-1692.

[3]石娟，姚征，馬明軒.調節閥內三維流動與啟閉過程的數值模擬及分析[J].上海理工大學學報，2005，37（6）：498-502.endprint