基于Fluent的頂導向套筒單座調節閥流場數值模擬

張希恒 張耀壬 王 宇 張 超

（蘭州理工大學石油化工學院）

調節閥作為一種常見的閥門在工業領域有著廣泛的應用，其性能的改進對提高工藝效率和降低能耗具有重要意義。 因此，研究調節閥的流量特性具有重要的工業應用價值。

近年來，CFD技術在閥門內流場的數值模擬方 面［1～3］和 結 構 優 化 方 面［4～6］均 有 諸 多 應 用。 An Young Joon等研究了截止閥的性能， 應用流體力學方法在定常流狀態下分析截止閥的特性并取得一定的突破［7］。 何世權等運用CFD技術對角式調節閥內部流場進行三維模擬，通過對比分析不同流向下的速度場與壓力場分布，得出流閉型對提高流量系數有著積極作用［8］。 陶正良等運用數值模擬和試驗方法對電站調節閥內流場進行研究，該研究可以判斷出流體在短時間內的壓力損失，并且對其流動特性可以進行預測，為調節閥的改型提供方向［9］。 潘永成等建立調節閥的三維模型， 利用CFD技術對調節閥內流體進行數值模擬，得到不同開度下閥芯所對應的理想流量特性曲線以及流量與壓降的關系曲線［10］。 在此，筆者以頂導向套筒單座調節閥為研究對象，對其內部三維流場進行仿真模擬，根據壓力云圖、速度云圖和流線圖對不同開度下內流場流動特性進行分析，最后通過試驗驗證數值模擬的準確性。

1 研究對象

頂導向套筒單座調節閥在管道系統中具有重要的控制作用，用于調節管路系統重流體的壓力和流量。 流體流經套筒閥時，其流場中存在渦流、氣穴等一些復雜的流動現象，這對套筒閥流場特性的預估帶來很大困擾。 在以往工程實踐中，試驗是解決這個問題的主要方法，但試驗往往受到尺寸模型、流場干擾、測量精度及周期過長等的限制。 為此，筆者以頂導向套筒單座調節閥為研究對象， 運用Fluent對其內流道流場進行模擬，通過數值模擬得到其內流道的壓力、速度和流線分布規律，并進行流量流阻試驗，將模擬結果與試驗結果進行對比，以驗證該數值模擬方法的可行性。

2 數值模擬

2.1 標準k-ε模型

標準k-ε模型是半經驗公式，其中k方程是精確方程，ε方程是由經驗公式導出的方程。 k-ε模型假定流場完全是湍流，可忽略分子間的粘性，因而標準k-ε模型適用于完全是湍流的流場。 標準k-ε模型的方程為湍動能方程k和擴散方程ε［11］：

其中，ρ是流體密度，ui是時均速度，μ是動量，μt是湍流粘度，Gk是由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項，Gb是由浮力引起的湍動能k的產生項，YM是可壓縮湍流中脈動擴張的貢獻， 水作為不可壓縮流體YM=0，σk=1.0和σε=1.3分別是與湍動能k和耗散率ε對應的Prandtl數，Sk和Sε是用戶定義的源項。 針對空氣、水等常見介質的基本湍流，通過大量的試驗總結出標準k-ε模型經驗常數C1ε=1.44、C2ε=1.92、C3ε=0.09。

2.2 建模與網格劃分

通過三維建模軟件SolidWorks2018建立頂導向套筒單座調節閥的三維模型（圖1），該閥公稱尺寸為40 mm，結構長度為251 mm，開啟行程為25 mm。

圖1 調節閥結構示意圖

為了使閥內流場流動更穩定，對閥兩端進行加管處理，進口端延長2D、出口端延長6D（D為閥門公稱直徑）；由于閥門的實際結構復雜，對Fluent模擬計算結果的收斂有一定程度的影響，為了便于計算，將一些對流體流動產生影響較小的結構做適當簡化處理， 建立相對開度為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%的分析模型， 在ANSYS Workench軟件中運用DM（Design Modeler）模塊，將不同開度的分析模塊導入， 利用反向建模的方法抽取其內部流道模型（圖2）。

圖2 頂導向套筒單座調節閥100%內部流道模型

運用預處理軟件ICEM對內部流道模型進行網格劃分（圖3）。 進出口直管段采用六面體結構網格，中間流道部分由于結構不規則，結構化網格可能會存在較大的偽擴散，造成極大的計算誤差，甚至是非物理解，而利用非結構網格則不會存在此類問題；由于閥芯和閥座之間的流動間隙較小，因此對閥芯和閥座之間的流動區域進行局部加密，以提高計算效率的同時能更好地捕捉流動細節。

圖3 調節閥內部流道網格劃分

數值計算結果的準確性不僅與網格質量有關，還與網格的數量密切相關，選擇合理的網格數量可以在滿足計算精度的前提下提高計算效率，節約計算資源。 因此，進行網格無關性驗證對選擇合理的網格數量尤為重要。 現對頂導向套筒單座調節閥50%開度下的模型進行網格無關性驗證，結果見表1、圖4。

表1 網格無關性驗證結果

圖4 網格無關性驗證曲線

從圖4可以看出， 網格數量小于3.0×106時質量流量變化較大， 當網格數量增加到3.0×106后，繼續增加網格數量質量流量基本保持不變，因此可以認為網格數量已經達到了網格無關性，故網格數量選擇為3.0×106。 在后續的計算過程中，隨著開度的變化， 閥芯與閥座的間隙也在變化，網格數量也應做適當的調整，保持網格數量與上述網格數量相差不大，這樣既能加快計算的速度又能保證計算的準確度。

2.3 邊界條件設置

調節閥工作介質為水， 采用標準k-ε湍流模型，用SIMPLE算法和具有二階精度的迎風格式進行流場計算求解，邊界條件為壓力100 kPa，出口壓力0，壁面設置為光滑無滑移，殘差曲線精度設置為10-4；對入口流量和出口流量進行檢測，當殘差曲線基本保持不變且所檢測的物理量保持不變時可認為模擬收斂。

3 結果分析

對頂導向套筒單座調節閥20%、40%、60%、70%、80%、100%相對開度下的閥內部流體對稱面上的壓力、速度及流線等進行流動規律分析。

3.1 對稱面壓力云圖

圖5是頂導向套筒單座調節閥不同開度下的對稱面壓力云圖。

圖5 頂導向套筒單座調節閥不同開度下的壓力云圖

從圖5可以看出： 閥門相鄰開度的壓力分布具有相似性， 當調節閥處于20%～40%開度時，流體在閥門前部的延伸流場內的壓降很小，調節閥的整個壓降主要集中在節流孔部位，在閥芯靠近出口位置出現負壓區；當達到70%開度時，節流孔處發生比較明顯的壓力梯度； 當達到80%開度以后，不止節流孔周圍，節流孔下游處也有明顯的壓力變化。 說明調節閥在啟閉過程中閥芯和閥座之間的節流是產生壓降的重要因素之一。

3.2 對稱面速度云圖

圖6是頂導向套筒單座調節閥不同開度下的對稱面速度云圖。

圖6 頂導向套筒單座調節閥不同開度下的速度云圖

由圖6可知：當調節閥處于20%～60%開度時，進出口速度基本均勻，閥芯與閥座之間的節流區域會出現明顯的速度梯度，這是由于流體在通過節流孔部位時流動面積突然減小， 出現射流，在節流口后出現高速區；當開度達到70%以后，高速區出現在閥芯與套筒間，最大流速發生在閥芯出口側，隨著開度呈先增大后減小的趨勢；80%開度時，流速達到最大（16.85 m/s）。

閥體內流體的最大速度出現在節流孔附近，高速流體對節流孔周圍沖擊會形成明顯的侵蝕區， 沖刷區附近的流速高于附近區域的流速，高速度和低速度在閥芯和套筒之間的區域混合，從而產生強烈的剪切作用， 導致低速區域形成渦流， 并在對沖區域附近形成一個流速較低的區域，即低速空穴區。

3.3 對稱面流線圖

圖7是頂導向套筒單座調節閥不同開度下的對稱面流線圖。

圖7 頂導向套筒單座調節閥不同開度下的流線圖

從圖7可以看出， 在閥體中腔的右下側以及閥芯與套筒間、套筒與閥體間均有不同程度的漩渦產生，開度越小閥體中腔右下側產生漩渦的區域越大， 此區域只有部分流體參與主流流動，其余流體相互碰撞造成能量損失。 流體流經節流孔后，一部分流體形成漩渦在閥芯與套筒間繞流后從套筒窗口流出， 另一部分直接從套筒窗口流出，在套筒與閥體間產生漩渦。 在閥門出口位置由于過流斷面面積的增大， 流體流動不穩定，出現二次流， 隨著流道的延長流體流動逐漸平穩，但此時流體呈螺旋態。

對比壓力云圖、 速度云圖和流線圖分析可知：壓力云圖中的低壓區、速度云圖中的高速區和流線圖中密集區的位置相互對應，漩渦出現在高速區末端，表明流場中出現的漩渦區域對壓力和速度的變化有很大影響，會產生較大的能量損失，流阻系數增大；流體通過套筒后，流動相對穩定，壓力和速度分布也比較均勻，在管道出口內出現二次流， 呈螺旋態向下游流動且逐漸消失；流體流經節流孔時，能量損失主要是由流動收縮產生的。

3.4 流量系數和流阻系數

計算流量系數和流阻系數的結果見表2。 由表2可知，在壓差近似不變時，頂導向套筒單座調節閥的流量、流速和流量系數隨著相對開度的增大而增大，流阻系數隨著開度的增大而減小。

表2 頂導向套筒單座調節閥流量系數和流阻系數

4 閥門流量流阻試驗

4.1 試驗設備

試驗是在閥門流量流阻測試裝置中完成的，該試驗裝置測量范圍廣，適用于各類通用閥門的流量系數、流阻系數和流量特性測試。 試驗采用變頻泵并聯和穩壓罐供水技術， 其穩壓效果好。裝置配有高精度傳感器和先進的數據采集器，可以同時采集流量、壓力、壓差及溫度等數據。 其測試軟件功能強大，操作簡單，能夠提高閥門流阻測試的效率和自動化水平。

4.2 試驗與模擬結果對比

按 照GB/T 17213.9—2005/IEC 60534-2-3：1997《工業過程控制閥 第2-3部分：流通能力 試驗程序》的要求安裝試驗閥和完成試驗程序。 在閥前與閥后2D和6D的位置（D為被測閥門的公稱直徑）設置取壓孔，測試介質為水［12，13］。

流量系數、流阻系數的模擬值與試驗值之間的相對偏差計算式如下：

將模擬所得的流量系數、流阻系數與試驗值進行對比，結果如圖8、9所示。

由圖8、9可得， 數值模擬與試驗所得的流量系數在不同開度下的變化趨勢基本相近，最大偏差值為-4.94%，小于標準要求的±5%；數值模擬與試驗所得的流阻系數在不同開度下的變化趨勢基本相近，最大偏差值為-5.18%。 說明數值模擬得到的流量系數與流阻系數符合調節閥的實際調節特性，同時也驗證了數值模擬計算方法的可靠性。

圖9 頂導向套筒單座調節閥流阻系數試驗值與模擬值對比

5 結論

5.1 通過閥門壓降分析看出，流體在閥門前部的延伸流場內的壓降很小，調節閥的整個壓降主要集中在節流孔部位，節流孔處發生比較明顯的壓力梯度。 由此可得，調節閥在啟閉過程中閥芯和閥座之間的節流是產生壓降的重要因素之一。

5.2 由不同開度下速度分析結果可以看出，進出口速度基本均勻，閥芯與閥座之間的節流區域出現明顯的速度梯度，閥體內流體的最大速度出現在節流孔附近，高速流動對節流孔周圍沖擊形成明顯的侵蝕區，高速流和低速流在閥芯和套筒之間混合，從而產生強烈的剪切作用，導致低速區域形成渦流，在對沖區域附近形成低速空穴區。

5.3 在閥體中腔的右下側以及閥芯與套筒間、套筒與閥體間均有不同程度的漩渦產生，開度越小閥體中腔右下側產生漩渦的區域越大。 在閥門出口位置出現二次流，隨著流道的延長流體流動逐漸平穩，但此時流體呈螺旋態流動。

5.4 對比壓力云圖、速度云圖和流線圖可知，低壓區、高速區和流線密集區的位置相互對應，漩渦出現在高速區末端， 表明流場中出現的漩渦區域對壓力和速度的變化有很大影響， 導致能量損失增大，流阻系數增大，能量損失主要由流動收縮產生。

5.5 將流量系數和流阻系數的數值模擬值與試驗值分別進行對比，其相對偏差滿足標準要求的±5%，說明數值模擬計算方法可行、計算結果準確。