基于CFX的迷宮式調節閥內流場流動特性的仿真

武世敏，周維琴，石月娟，李明濱，王燕昌

(1.寧夏大學機械工程學院，寧夏銀川750021;2.長慶油田第三采油廠數字化與科技信息中心，寧夏銀川750021;3.吳忠儀表有限責任公司，寧夏吳忠751100;4.寧夏大學新能源研究中心，寧夏銀川750021;5.寧夏大學物理電氣信息學院，寧夏銀川750021)

0 前言

迷宮式調節閥主要應用于石油工業、大型電站的鍋爐等運行條件較為惡劣的工況下［1-2］，是非常主要的流量控制壓力控制元件之一。另外該閥門也屬于多級降壓閥，可以將高溫高壓的液體逐級降壓，并且在每一級降壓過程中不會發生氣蝕現象，當其處于關閉狀態時，應能承受高達42 MPa 甚至更高的靜壓差。對于迷宮式調節閥的在工程中的應用，國內外有很多學者在流量特性與控制性能之間的關系方面進行了大量的研究工作［3-7］。此外，還有一些學者建立了不同的數學模型來研究調節閥的流量特性［8-10］。以下作者對某一類迷宮式調節閥進行了建模，首先對其不同開度下流通特性分別進行模型試驗，分析流體在流道中的壓力分布特性;其次模擬100%開度下閥前后壓差和流過該閥的流量之間的關系，從而為此類閥門的整體設計提供重要的參考。

1 結構模型和內部流場模型

在該研究中，采用某一型號套筒迷宮式調節閥，公稱通徑為25 mm，公稱壓力為ANSI2500。流體從側端進入，底端流出。通過調節閥芯桿的行程，可以改變套筒部件的流通面積，從而實現調節流量的目的。利用SolidWorks 三維建模軟件，根據閥門各個零部件的幾何尺寸和裝配關系，對流體流過的通道進行三維幾何建模，針對不同開度分別建模。調節閥開度為100%的幾何實體模型如圖1所示。

圖1 調節閥100%開度流道示意圖

由于研究閥門的內部流場和特性，最核心的部分是套筒部件，所以為了簡化網格劃分和降低計算機計算的占用內存，可以把圖1 的1、2、4、5 部分略去，只研究套筒部件的流通特性。所得最后所研究的流道模型如圖2所示。

圖2 簡化后100%流道示意圖

2 網格劃分

將以上簡化后的三維幾何實體模型導入前處理網格劃分軟件Gambit 里進行非結構化網格劃分，確定計算域、入口邊界、出口邊界。在該算例中，流道網格劃分采用的是混合六面體網格，網格間距設為1，劃分后網格數為111 萬左右。開度為100%的流道模型網格劃分如圖3所示。

設定的進口和出口的邊界條件分別為壓力進口和壓力出口，針對不同開度(共10 個)進行同樣的網格劃分操作，得到不同開度下的網格Mesh 文件。

圖3 調節閥流道網格劃分示意圖

3 數值模擬計算結果及分析

在CFX-Pre 里將前處理軟件Gambit 導出的網格Mesh 文件讀入CFX 后，設置流體物性為水，設置入口、出口壓力邊界條件，進行流場初始化，設定控制參數、定義迭代次數，設置結果文件導出的位置;在CFX-Solver Manager 操作就可以進行計算求解;最后在CFD-Post 里查看求解結果。

3.1 全開時流場模擬仿真分析

根據GB4213-2008-T 氣動調節閥的標準，對進出口壓差為2.891 21 MPa 條件下，對該迷宮式調節閥的流道和對稱面進行分析，研究其內部的流場分布情況，流道對稱面上壓力分布云圖以及速度等值線圖如圖4、5所示。

圖4 XY 平面和YZ 平面壓力云圖

圖5 XY 面和YZ 面上速度矢量圖

從圖4 可以看出，壓力階梯壓降較為明顯，分別為3.891 21 MPa 和1 MPa 左右，進出口壓差較大，流道的壓降主要用于克服調節閥節流元件的阻力。從圖5 可以看出，進出口流速比較均勻，進口平均速度為12.648 8 m/s，出口平均速度為16.511 8 m/s。由于水流流至套筒部件的節流元件里，根據連續性方程，流通面積急速下降，速度變大，最大達到47.781 1 m/s，此時的壓力也隨之迅速降低。

3.2 不同開度下的流通特性仿真

不同開度下同理全開的模擬仿真過程，數值模擬后，記錄閥前后壓力，并求得相應開度下的壓差和流量值，根據公式

Q為體積流量，m3/h;

Fl為壓力恢復系數，取0.99;

Δp為壓差，100 kPa。

計算得不同開度下Cv值見表1所示，將不同開度下流量模擬所得的流量和壓差可計算得相應開度的流量系數Cv值，繪制的流通特性曲線如圖6所示。由流量特性曲線的圖像可知該閥的流通特性是線性的。

表1 不同開度下仿真的結果

圖6 流量特性曲線

3.3 定開度壓差和流量的關系仿真

定開度下研究壓差和流量的關系，設定全開條件下，閥前壓力不斷增加，閥后壓力保持不變，仿真結果見表2。

表2 全開度壓差和流量仿真結果

從表2 可以看出，計算所得流量系數Cv值的結果5.05 左右，而且誤差相對較小。根據壓差和仿真所得的質量流量繪制的曲線如圖7所示。從該壓差、流量曲線也可以看出，質量流量隨著進出口壓差的增大而增大，并且也基本符合線性關系。

圖7 壓差-流量關系曲線

4 結論與展望

通過對迷宮式調節閥流場的數值模擬及仿真獲得以下結論與展望:

(1)在壓降幾乎相等或變化不大時，閥門開度越大，對應的質量流量也越大，是因為閥門開度越大，流通面積越大，因而流量也越大。壓降主要是集中在套筒部件的節流元件節流處，并且逐級減弱，第一級壓降最多。

(2)在同一開度下，流量隨著進出口壓降的增大而增大，基本符合線性流量特性。

(3)通過數值模擬，得出迷宮式調節閥的內部流場的三維可視化結果，為此類調節閥的設計、流道優化以及新產品的研發提供可靠詳細依據。進一步對流道中旋渦部位進行流道優化，對降低流體流過調節閥的能量損失，提高能源利用率、提高產品研發周期具有十分重要的意義。

(4)由于研究條件有限，作者僅僅對調節閥門內部流場的研究主要集中在改變閥前后壓力及閥門的開度來影響流量。在條件允許的情況下，希望可以對迷宮式調節閥閥體內部壓力、速度分布作進一步研究，也可以把邊界設置為流量和進口壓力或出口壓力來研究。從而更量化地揭示出流場高速區對閥門性能參數的影響。

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