新型壓力調節閥內部流場的數值模擬

魏丹，宋花平，趙軍

（1 北京化工大學機電工程學院，北京 100029；2 中國人民解放軍總后勤部油料研究所，北京 102300）

目前國內已基本形成以干線為主的成品油管網，當要對局部區域臨時供油時，一般采用裝配式輸油管線[1]從主干線導出油料。

成品油管線為適應長距離輸送，內壓一般在10MPa 以上，而便于轉運和安裝的裝配式輸油管線則采用輕量化設計，其最高工作壓力一般都在6MPa 以下，所以油料導出時需要進行壓力轉換。

根據大壓差和大流量的工作特點，設計了一種新型套筒式壓力調節閥來調節管線間壓差。供油時，成品油管線中的高壓油料經過套筒式壓力調節閥進行節流后，油料的壓力降低。為了增強對接裝置對野外工作條件的適應性，采用人工確定閥門開度和自力式穩流調節的技術路線，最終確保閥后流入裝配式輸油管線的壓力降到安全工作允許值以下。

為了確定這種新型壓力調節閥在工作時的安全可靠性，本文采用CFD 方法[2]對這種新型壓力調節閥的內部流場情況及流量特性進行分析，也為以后的深入研究及性能優化奠定基礎，提供理論依據[3—10]。

1 套筒式壓力調節閥三維計算模型

1.1 結構及工作原理

閥內有兩級節流套筒，公稱通徑為150mm，進出口總長為560mm，結構如圖1 所示。流體先進入高壓腔，經套筒節流孔一次減壓后流入下腔，再經閥座孔二次減壓后流入閥底從出口流出，工作原理如圖2 所示。當有壓力波動時，碟簧可起到穩定壓力、流量的作用，節流孔的形狀如圖3 所示。調節閥芯的高度可改變套筒過流面積，從而調節流體通量。

圖1 調節閥結構示意圖

圖2 調節閥工作原理示意圖

圖3 節流孔形狀示意圖

1.2 三維流道模型的建立

根據實際尺寸及裝配關系，利用SolidWorks 軟件建立起流通區域三維立體模型。為防止回流并使進出口處流動盡可能穩定，將閥進出口通道延長為管道直徑5 倍左右。

為模擬不同工況，建立了各種開度的閥口流道模型，100%開度流道模型如圖4 所示。

1.3 網格剖分

將三維幾何實體導入到ANSYS ICEM 中進行計算前處理的網格劃分ICEM，因閥內部流道幾何形狀復雜，故采用四面體單元結構化處理，并在節流孔及閥座孔處進行局部加密，以提高計算精度。

劃分后網格數為51 萬個左右，網格質量均大于0.3，可滿足計算需要。對不同開度流道模型進行網格劃分，即可得到相應網格文件，其中100%開度下流道網格如圖5 所示。

圖4 開度100%流道模型示意圖

圖5 調節閥100%開度流道網格示意圖

1.4 求解

將網格文件導入到FLUENT 中，采用3D 雙精度求解器、基于壓力、穩態隱式求解方程及求解模型，計算得出Re=46267，屬中等紊流狀態，應選取標準k-ε模型，邊界參數如表1 所示。流通介質為水，計算參數如表2 所示。初始化流場，設定收斂參數進行計算，迭代經1000 多步即可收斂。

表1 邊界參數表

表2 流通介質參數表

2 計算結果及分析

2.1 流動分析

渦流對流動損失有重要影響，其位置和狀態直接關系到節流降壓效果，不同開度下的速度矢量分布如圖6 所示。

流體在入口處以3.14m/s 均勻流動，進入高壓腔后流通面積突然增大，流動開始發散形成渦漩，并在高壓腔上部出現淤積死區。

流體經過高壓腔套筒節流孔后，流通面積急劇減小，流速增大發生紊流。隨著套筒開度的減小，節流孔處的流速依次增至31.62m/s、39.05m/s、44.05m/s 及47.17m/s，較入口流速大十幾倍。在進入下腔閥座孔時流向改變，使得紊流增強。

在流過閥座孔后，流通面積突然擴大，流向再次改變，流動發散并產生渦漩，從而造成出口處流量不均，且有回流產生。

在關閉調節閥過程中，套筒節流孔面積隨之縮減，流通截面亦縮小，流體通過節流孔及閥座孔后紊流逐漸增強，渦漩強度更加顯著，從而提高了出口處流量的不均勻程度。

2.2 壓力分析

壓力調節閥內流場壓力分布直接關系到減壓效果，不同開度下對稱面上流場壓力分布如圖7 所示。

圖6 不同開度流速矢量分布圖

進出口等徑段壓力變化比較平緩，高壓腔內壓力即入口壓力為10MPa，當進入套筒節流孔時面積突然減小，根據孔板減壓效應，渦漩劇烈紊動會損耗部分能量，從而使流體壓力降低。且隨著套筒開度的減小，節流孔處壓力降依次為3MPa、3.2MPa、3.5MPa 及4MPa。

圖7 不同開度流場壓力分布云圖

由下腔通過閥座孔流向出口時，由于流通面積減小及流向改變，紊亂加強，能量損耗增加，壓力進一步降低，隨著開度的減小，二次減壓值依次為1MPa、0.8MPa、0.5MPa 和0，最終保證出口處壓力保持在裝配式輸油管線許用范圍之內。

隨調節閥開度逐漸減小，套筒節流孔處壓降逐漸增大，總體壓降中一次減壓比例漸增。開度為10%時，4MPa 壓降基本全發生在節流孔處，二次減壓閥座孔處減壓幾乎不起減壓作用。

2.3 流量特性分析

調節閥流量特性中流體介質與閥體部件結構之間函數關系如式（1）所示。

式中，Q/Qmax為相對流量，是指壓力調節閥某一開度時流量Q（m3/s）與全開時的流量Qmax（m3/s）之比；l/L 為相對位移，是指壓力調節閥在某一開度時的閥芯位移l（mm）與全開位移L（mm）之比。

流體的流量特性大致分為4 種：直線型、等百分比型、修正等百分比型及快開型[11-12]。

通過CFD 計算可以得到調節閥的特性參數，從中選出10 個不同開度下壓力調節閥流量計算數據如表3 所示。

壓力調節閥模擬計算流量特性曲線如圖8 所示。由圖8 可以看出，出口壓降不變，隨著調節閥開度的增加，流量也隨之增加，壓力調節閥的流量特性曲線變化趨勢接近快開型。

表3 壓力調節閥流量計算數據表

圖8 壓力調節閥模擬計算流量特性曲線

2.4 試驗驗證

在某試驗臺上對該壓力調節閥進行模擬試驗，測得該閥在100%開度下的試驗流量為0.0614m3/s。試驗所得流量與模擬計算所得流量誤差為11.5%。由于模擬計算時以光滑壁面處理，忽略了壁面摩擦阻力，故導致模擬計算流量高于試驗流量，從而驗證了數值模擬結果的可靠性，說明了數值模擬結果是比較準確的。

3 結 論

通過對新型套筒式壓力調節閥不同開度下的內部流場進行CFD 數值模擬仿真，得到其內部流場壓力、速度矢量分布的可視化結果，并分析得出調節閥的流量特性曲線，分析結果表明。

（1）流體在閥內流動時，由于流通面積不斷變化，產生流動渦漩，影響出口流量均勻性，隨著開度減小，渦旋增大，流量不均勻性更顯著。

（2）套筒處流通面積突然收縮導致節流壓降，開度與節流效果呈反比，同壓降下，流量也相應減小。

（3）閥阻比為0.4 工況下，調節閥模擬計算得出流量特性為近似快開型。

（4）在保證閥兩端壓差情況下，全開度試驗結果與數值模擬結果的誤差在允許范圍內。

數值模擬的結果驗證了這種壓力調節閥工作的可靠性以及計算模型及此采用方法的可行性。與實驗結果比較，數值模擬的精度是可以信賴的，這也為日后該新型壓力調節閥的流道設計及優化分析提供了數值依據。

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