基于Fluent的節流閥流量特性研究

魏東坡，趙宏霞，孟凡召

（1.天津職業技術師范大學 機械工程學院，天津 300222；2.山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034）

0 引言

工程設計中，常規的閥門通常用于開關控制，但隨著現階段第四次工業革命的到來，越來越多的精密、智能閥門應用在工業生產中。例如采油用閥門中，具有開度控制閥門的需求量越來越大。閥門的智能化主要體現在流量智能控制上。通過查詢資料發現，閥門控制研究過程中通常使用流量系數值來表示閥門的流通特性。官夢凡等人以DN50的核一級升降式止回閥為例，分析了不同閥瓣導向結構、閥瓣質量及閥體閥瓣配合間隙對值的影響[1]。劉劍等人利用ANSYS軟件進行了SHF-20A型四通換向閥的流場分析，并比較了模擬計算的結果與實驗結果考察流道結構變化對閥值的影響規律[2]。國外的閥門制造商在閥門生產過程中通常會提供相應的閥門的值，但是國內產品的粗放性和成本等因素導致對該參數的重視程度不夠。相關產品中提供具體值的較少，目前也未發現有關節流閥門值研究的資料。Fluent軟件是專業的流體分析軟件，黃川等人利用Fluent軟件開展了易拉罐灌裝閥閥道流場分析與結構優化的研究[3]。為準確掌握某一型號閥門的具體特性參數，利用Fluent流體分析軟件對現有產品進行分析以獲取其流量特性，并得到不同閥門開度下的值。

1 閥門特征參數分析

眾所周知，國內的閥門產品大都采用值來表示閥門的性能[4-5]，值與值表達的含義是相同的，二者之間存在換算關系：

根據IEC 534-1，閥門值是壓差為1 psi（94. 8 Pa）時，40～100℉（4℃～38℃）的水每分鐘流經閥門的加侖數[6]。對于不發生氣蝕和閃蒸的紊流，閥門值的計算公式為：

式 中：Q為流 量，U.S.gal/min（1U.S.gal/min=6309×10-5m3/s）；ρ為流體密度，kg/m3；ρw為40～100℉（4℃～38℃）水的密度，kg/m3；ΔP為閥門的壓降，MPa。

由于流量Q和壓力降不是閥門本身的特性參數，故Cv的物理含義應為該閥門的特性參數。當閥門選型過程中，給出相應的流量和流體密度之后即可得到閥門兩端的壓力降（即閥門的壓力損失）。例如，在油田服務作業過程中，準確知道相應的井口閥門的沿程損失能更精確的控制井下目標層的壓力最終達到精確施工提高油田產量等效果。

從查詢的資料可知常用的閥門的Cv曲線常用的形式有下圖的四種[7]。等百分比流量，拋物線流量、線性流量和快開流量四種。

圖1 閥門開度和流量系數關系

2 某閥門的流場分析和值計算

現階段我公司的產品進行Cv曲線試驗的硬件設施仍然有所欠缺，但是為跟國際上的產品接軌就需要我們對公司產品特性有更全面和深入的掌握。從前述分析可以看出常規的Cv值是針對的水，或者特性與水相類似的流體而言。而石油工程中的流體特性往往與水的差別較大。常規的Cv值不能滿足設計要求，這就需要實際使用過程中針對原油和泥漿等進行試驗得到特有的Cv特征值。利用軟件進行仿真分析能很好的解決試驗手段不足和特殊Cv值快速分析計算的問題，并滿足實際的工程需求。

利用Fluent流體軟件[8、9]對現有閥門結構的值進行分析。假定給定的參數為水，按照Cv值定義中給定的相關參數進行分析，結果如下。

2.1 閥門流場特性分析

閥門在微微開啟的過程中相應的阻力主要集中在開啟位置處，該位置將產生紊流現象。閥門開啟時（開度非常小），閥門流場分析結果如圖2所示。從該閥門流速云圖上可以看出通過該閥的流體呈現明顯的紊流狀態，最大流速出現在閥芯左前方45°左右處，達到了282.7 m/s。查詢資料可知，在該種流速情況下水會發生氣化等現象[10]，導致該位置處流場的分布更加不均勻。

圖2 小開度流場分布圖

隨著開度的增大，閥門內部的最大流速不斷減小。例如當閥門的打開行程為20 mm時，通過該閥的流體的最大流速為4.02 m/s，如圖3所示。結合前述的閥門微微開啟時閥門最大流速282.7 m/s的流速情況，從閥門的使用角度考慮，閥門不易使用在流速極高或極低的情況下。通過查詢參考文獻，可知通常情況下控制流速的閥門，其開度范圍在30%～70%的區間時流速控制值是非常準確的，放大些范圍可為20%～80%。后續筆者將結合Fluent的分析結果給出該閥門流量精確控制的開度區間。

圖3 中間行程流場分布圖

從前述流場分析的流線和速度分布上來看整個閥門閥體內環空截面上的流速是不均勻的，流線從主要從左側的流體流入端通過。右側的流入斷面上的流速較小。后續如果考慮到閥門的減阻和效率問題可以對閥門的流道進行改進，使進口處的流線更加平滑，這樣相應的效果更好更高效。同時在流出斷面后產生一定的渦流效應。該渦流同樣會阻礙正流體的通過，建議后續增加延長段，這樣更能使流體的流線均勻。

通過值Cv的計算公式可知，當閥門兩側壓差不變的情況下，如果Cv值越大則對應的流量越大。即在相同使用工況下（固定流量的前提下）所消耗的壓力降越少，即閥門更節能性能更好。從該種意義上說閥門的設計流線型越好則該閥門越優秀。

2.2 某閥門的曲線研究

通過Fluent軟件計算閥門在不同開度下的流量，再按照閥門開啟行程及其對應的流量進行計算得到對應的值，得到值與行程之間的關系表，如表1所示。

表1 不同閥門開度下流速數據表

根據上述計算結果擬合Cv曲線如圖4所示，顯然，該曲線與前述的四種經典Cv曲線不同，其存在正反兩個類拋物線形式。同時查詢資料發現很多常規閥門也有這種現象[11]。研究閥門結構發現，閥門在開始階段的倒角設計導致閥門在初始階段有類似于針閥的特性[12]，針閥的理論Cv曲線如圖5所示。當閥門開啟行程超過11.78 mm時，呈現閘閥的特性（圖6）。因此出現兩種正反拋物線形式的組合。為了消除行程的影響，將其換算為閥門開度與Cv曲線的關系，如圖7所示。

圖4 原始Cv曲線

圖5 針閥的理論曲線

圖6 閥門開閉階段結構示意圖

圖7 換算前與換算后的曲線對比

按照換算后的數據進行擬合的結果如圖8所示。再按照指數方式對該換算后的曲線進行擬合，設擬合公式的格式為：

圖8 曲線擬合結果

根據邊界條件得到各個參數值：

標準差為1.458 21，即擬合公式對應的Cv曲線最大偏差為1.458 21。同時從擬合后的偏差圖中可以看出其在5～30的范圍內時相應的偏差較小，如圖9所示。即該段區域的準確性非常高。換算真實行程為15～42 mm的開關行程之間（總行程為47 mm），即該種閥門的高精度調整區間為32%～90%開度之間。

圖9 標準差分布

3 結論

（1）Cv值是一個特種值代表了閥門的特性。從公式可知相同使用工況下閥門的Cv值越大則閥門兩端的壓降越小，閥門的能耗越低。公司的某款節流閥的流向形式存在一定的不足，后續可以針對該種閥門進行流道設計以達到減少公司閥門的壓力降從而起到節能減排的效果。

（2）針對公司的閥門雖然叫節流閥，但是其并不能完全符合節流閥的特點。該閥門的Cv值的變化存在正反拋物線兩種變化形式，如用于精確控制，需要將行程與閥門的開度進行換算后適用。從閥門的Cv值可以看出其精確使用的開度范圍在32%～90%之間，對應著閥門的行程在15 mm～42 mm（總閥門行程為47 mm）。

（3）從結構上分析，該閥門的開始段的Cv結果是由于閥門內壁和閥板上的倒角共同決定的。該位置的倒角導致開始階段閥門的開啟形式與針閥類似，因此出現了針閥特征的Cv曲線段。從公司閥門生產和產品加工角度考慮，閥門的倒角等大多不能精確測量，如需要高精度的閥門，需要對閥門開關位置和閥板形狀進行精細化設計。該位置的形狀尺寸直接影響閥門的精度控制性能。

（4）本分析是基于水的Cv閥門特性研究。由于水與原油等產品的流動特性差距較大后續結合產品需求可針對應用的流體特性進行精細化計算以滿足特殊要求。