基于CFD 仿真的調(diào)節(jié)閥流動特性分析

謝玉東 王海波 包木鵬 王勇

（1.山東大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2.高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗室（山東大學(xué))，濟(jì)南 250061；3.艾坦姆流體控制技術(shù)（山東）有限公司，濟(jì)寧 273516；）

調(diào)節(jié)閥在管網(wǎng)系統(tǒng)和閥門系統(tǒng)中均得到了廣泛應(yīng)用，是管網(wǎng)系統(tǒng)中必不可少的元件。閥籠在調(diào)節(jié)閥中起到通流的作用，其性能對于調(diào)節(jié)閥功能的發(fā)揮至關(guān)重要。目前，已有部分專家學(xué)者對閥籠進(jìn)行了研究。于嘉琛[1]、包錦峰等[2]研究了閥籠式調(diào)節(jié)閥的性能，分析了閥籠式調(diào)節(jié)閥的流量特性和力學(xué)特性。周廣伶等[3]、張婷等[4]研究了調(diào)節(jié)閥閥籠的設(shè)計。仇暢[5]、吳文奎[6]探討了閥籠的加工及其應(yīng)用性能。閥籠通流面積和通流形狀決定著調(diào)節(jié)閥的流動特性，因此基于計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真來分析調(diào)節(jié)閥閥籠的通流面積和通流形狀對調(diào)節(jié)閥流動特性的影響。

1 創(chuàng)建閥籠物理模型

調(diào)節(jié)閥的閥籠是決定整個閥門流通特性的關(guān)鍵。調(diào)節(jié)閥（含閥籠）的流場模型如圖1 所示。閥籠上通流結(jié)構(gòu)的面積與形狀是影響閥門流動特性的重要因素，為了解調(diào)節(jié)閥閥籠對閥門流動特性的影響，對調(diào)節(jié)閥閥籠的流通面積和流通結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析[7-8]。不同調(diào)節(jié)閥閥籠通流形狀如圖2 所示。

圖1 調(diào)節(jié)閥（含閥籠）流場模型

圖2 調(diào)節(jié)閥閥籠通流形狀

2 數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

為分析調(diào)節(jié)閥閥籠的流動特性，首先對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為保證仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，在建立調(diào)節(jié)閥流場模型時，將閥前管道加長2 倍，閥后管道加長6 倍，同時對閥籠部分進(jìn)行網(wǎng)格加密。調(diào)節(jié)閥流道網(wǎng)格劃分如圖3 所示。

圖3 調(diào)節(jié)閥流道網(wǎng)格劃分圖

2.2 設(shè)置邊界條件

將調(diào)節(jié)閥入口設(shè)置為速度入口，其速度為2 m·s-1，管道出口設(shè)置為壓強(qiáng)出口，默認(rèn)為大氣壓。每個時間步最大迭代次數(shù)設(shè)置為400 次。

2.3 設(shè)置Fluent 求解器

采用ANSYS Fluent 軟件，基于Standard k-ε 模型進(jìn)行仿真。壓強(qiáng)-速度耦合采用壓力耦合方程組的半隱式方法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations，SIMPLE）。在控制方程的離散格式上，壓強(qiáng)方程、動量方程、紊動能方程和耗散率方程采用二階迎風(fēng)格式。流場的連續(xù)性殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)為1×10-3。

3 閥籠通流面積對閥門性能影響分析

閥籠作為調(diào)節(jié)閥的關(guān)鍵部分，其流通面積對流動特性起到?jīng)Q定性的作用。為研究通流面積變化對閥門流通特性的影響，分別選擇半徑r為2 cm、3 cm 和4 cm的圓形通流結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。

圖4、圖5 分別為不同通流面積閥籠的壓強(qiáng)云圖和速度云圖。隨著閥籠流通面積的增大，調(diào)節(jié)閥入口的壓強(qiáng)明顯減小。隨著調(diào)節(jié)閥閥籠通流面積的增大，調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口壓強(qiáng)差逐漸減小。當(dāng)r=2 cm 時，閥籠進(jìn)出口壓差較大；當(dāng)r=3 cm 時，閥籠進(jìn)出口壓差較小；當(dāng)r=4 cm 時，閥籠進(jìn)出口壓差進(jìn)一步減小。

圖4 不同通流面積的流場壓強(qiáng)云圖

圖5 不同通流面積的流場速度云圖

圖6、圖7 分別為調(diào)節(jié)閥閥籠位置剖面的壓強(qiáng)云圖和速度云圖。調(diào)節(jié)閥的流體經(jīng)閥籠流出，流經(jīng)閥籠前后會產(chǎn)生明顯的壓差，整個調(diào)節(jié)閥的壓降主要集中在閥籠位置。隨著流通面積的增大，閥籠前后的流體阻力隨之減小，流體對閥籠的沖擊也逐漸減小，減輕了流體對閥籠的沖擊和磨損[9]。

圖6 不同通流面積閥籠剖面的流場壓強(qiáng)云圖

圖7 不同通流面積閥籠剖面的流場速度云圖

為方便對比不同半徑閥籠的流通特性，繪制出流通面積對閥門進(jìn)出口壓差影響的折線圖，如圖8 所示。隨著流通面積的增大，閥門進(jìn)出口的壓差明顯減小，由1 772.25 Pa 降低為79.94 Pa。由此可以看出，增大閥籠的流通面積，閥門間的壓差可成倍減小，閥籠對管道流體的阻礙作用會顯著下降。圖9 為通流面積變化對閥門流量的影響，隨著流通面積的增大，調(diào)節(jié)閥的流量基本保持不變。

圖8 通流面積變化對閥門進(jìn)出口壓差的影響

圖9 通流面積變化對閥門流量的影響

4 閥籠通流形狀對閥門性能影響分析

為進(jìn)一步探討閥籠形狀對閥門流動特性的影響，選擇相同流通面積、不同通流形狀的閥籠進(jìn)行仿真分析。圖10、圖11 分別為不同流通形狀閥籠的壓強(qiáng)云圖和速度云圖，圖12、圖13 分別為不同通流形狀閥籠的剖面的流場壓強(qiáng)云圖和速度云圖。閥籠的流通形狀無論是圓形、正方形還是正六邊形，閥門前后的壓降都主要集中在閥籠處。通過改變閥籠的流通形狀，可以改變閥門前后的壓差。隨著流通形狀的邊數(shù)增多，閥門前后的壓差逐漸變小。通流形狀為圓形的閥籠前后壓差最大，通流形狀為正方形和正六邊形的閥籠的前后壓差接近，通流形狀為正六邊形的閥籠最小。在保持通流面積不變的情況下，采用通流形狀為多邊形的閥籠，有助于減小閥門前后的壓差，減少流體對閥籠的沖擊。

圖10 不同通流形狀閥籠的流場壓強(qiáng)云圖

圖11 不同通流形狀閥籠的流場速度云圖

圖12 不同通流形狀閥籠剖面的流場壓強(qiáng)云圖

圖13 不同通流形狀閥籠剖面的流場速度云圖

為了方便對比不同形狀閥籠的流通特性，繪制出形狀變化對閥門的影響折線圖，如圖14 所示。隨著通流形狀邊數(shù)的增多，閥門前后的壓差逐漸減小，流體對閥籠的沖擊也逐漸減小，說明多邊形通流形狀的閥籠有助于減少閥門前后的壓差損[10]。通流形狀變化對閥門流量的影響如圖15 所示。由圖15 可知，流通面積保持不變，改變流通形狀，閥門流量無明顯變化或跳躍波動，依然保持穩(wěn)定，說明閥籠通流形狀的變化對閥門流量影響較小。

圖15 通流形狀變化對閥門流量的影響

5 結(jié)語

閥籠對調(diào)節(jié)閥的流體調(diào)節(jié)性能具有顯著影響，增大閥籠處的流通面積有助于減小閥門前后的壓差，減少閥門上的節(jié)流損失。在保持流通面積不變的前提下，采用多邊形結(jié)構(gòu)的閥籠有助于減小閥門前后的壓差，減輕流體對閥籠的沖擊與磨損。