多级套筒调节阀流场数值模拟与流量特性研究

　　以连续性方程、三维雷诺平均N-S方程和基于各向同性涡黏性理论的k-ε方程组成多级套筒调节阀内部流动数值模拟的控制方程组，依据数值计算要求，设定适当的边界条件，采用结构与非结构网格相结合有限体积法对控制方程组进行离散；应用CFD软件对多级套筒调节阀内部流场进行内三维湍流流动数值模拟，分别对其压力场、速度场和迹线分布进行了分析。结果表明多级套筒结构的设计能较好地改进阀内流动状况，实现压力的渐变，有效地避免汽蚀现象的发生。在设计过程中引入了CFD仿真实验，研究了多级套筒调节阀的流量特性，提高了样机试制的成功率，缩短了开发周期，降低了成本，从而为多级套筒调节阀的设计与研究提供借鉴。

　　在现代工业生产中，调节阀属于控制阀系列，它是流体运输过程和工艺环路中的重要控制元件，是确保各种工艺设备正常工作的关键设备，被广泛应用于工业生产及日常生活各个领域中。随着技术的进步，工业实践中的各种场合都对调节阀提出了高温、高压、高压差等要求。尤其是应用于高压差条件下的调节阀，极易在阀芯及阀座部位产生严重的冲蚀和汽蚀，并伴有强烈的振动和噪声现象。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为这些现象导致在高压差条件下工作的调节阀工作性能降低、使用寿命缩短，带来安全隐患，给工业生产领域的安全高效运转带来诸多问题，甚至导致严重事故发生。因此，研发专用于高压差工况下的特殊调节阀意义重大。

　　文中介绍了研发的多级套筒式调节阀内部结构及其工作过程。应用计算流体力学(CFD)软件对多级套筒调节阀内部流场进行内三维湍流流动数值模拟，获得调节阀内部压力、速度及迹线的分布。借助CFD仿真实验的方法，可以得到多级套筒调节阀的CV和流量特性曲线，提高样机试制的成功率，缩短开发周期，避免常规设计中，凭借经验参数或者实际试验后再修改造成的周期与成本的增加，从而为多级套筒调节阀的设计与研究提供进一步的参考。

1、多级套筒调节阀结构及工作过程

　　研发设计的多级套筒调节阀结构如图1所示。该调节阀多用于电站、石化、化工行业及其他高参数工况下，工作介质多为高温水或过热蒸汽。通液体时流向为从右向左，液体由套筒外侧流向内侧；通气体时流向为从左至右，气体由套筒内侧流向外侧。由于多级套筒的作用，流体在通过阀体时要经历一个多次逐级降压的过程，流体每通过一层套筒压力就会下降一次。多级套筒作为该阀的核心部件，可以使介质流速的增加得到抑制，将压力的变化控制在允许的范围之内，有效地避免和减轻闪蒸空化现象的发生以及高速流体对阀门部件的冲蚀，延长调节阀的使用寿命，并保证设备与系统的可靠运行。

图1 多级套筒式调节阀结构示意

2、多级套筒调节阀流场的数值模拟

　　2.1、流道实体模型的建立

　　利用Solidworks三维实体建模软件，对调节阀腔内部流道建立模型。整体模型由外部阀腔流道与内部套筒流道两部分装配组成，所建实体模型准确地反映了调节阀内部结构的实际情况。同时，为使模拟计算时流道两端的流动得以充分进行以及进出口面流动呈稳定均匀，对阀门内部流道模型进出口两端都进行了延伸，建立的流道模型如图2所示。

图2 阀内流道模型示意

　　2.2、数值模拟过程控制方程组建立

　　在模拟实验过程中，调节阀流体通道中的实际流动是湍流状态的水。在定常条件下，采用了k-ε湍流模型，描述阀内的定常不可压缩流动的方程如下：

(1)

　　动量方程：

(2)

　　紊动能k方程：

(3)

　　紊动能耗散率ε方程：

(4)

　　式中：xi———笛卡尔坐标系坐标，i=1，2，3；ui———沿i方向的速度分量，i=1，2，3；fi———沿i方向的重力；p———压力；ρ———水的密度；υ———水的运动黏性系数；υt———涡黏性系数，υt=Cμk2/ε；P———紊动能生成项，其表达式为

　　k-ε模型中系数采用了Launder和Spalding的推荐值：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1。

　　流场出口：流场出口的边界条件为沿垂直于该断面方向的压力梯度为零，有：

(5)

　　式(5)中：u，υ，w———沿不同方向的速度分量，n———垂直于该断面的局部坐标。

　　固壁边界：在固壁上选用无滑移条件，速度u=υ=w=0，固壁处的摩阻流速忽略不计。

　　2.3、数值模拟计算及结果分析

　　为了保证计算精度，采用以结构性和非结构性网格相结合的划分方法形成网格。流道两端的直管段网格采用Hex/Wedge(六面体/楔形)网格进行划分，中间多级套筒部分的流体通道因为结构比较复杂，所以采用Tet/Hybrid(四面体/混合)网格进行划分，并且为了使计算结果更加精确，对每一层套筒中的小孔都分别进行了加密处理。由于计算模型是对称的，因而取其50%进行模拟计算，以减少网格数目、节省计算时间；以连续性方程、三维雷诺平均N-S方程和基于各向同性涡黏性理论的k-ε方程组成调节阀内部流动数值模拟的控制方程组，采用有限体积法对控制方程组进行离散；根据厂方提供的系统运行实际工况参数，该次计算的进口处压力为7MPa，出口处压力为0，介质为常温水，密度ρ=998.2kg/m3。

　　2.3.1、压力场分析

　　压力分布云图如图3所示，从中可以看出：调节阀进、出口压力分布比较均匀，套筒中压力逐级稳定下降，在阀体下腔与出口直管段处有局部低压区域，如A处所示。此工况下，局部最大压力为7.17MPa，分布在阀门进口与最外侧套筒处。

图3 z=0水平截面上压力分布云图

　　2.3.2、速度场分析

　　速度分布如图4所示，入口端和阀腔内速度分布比较均匀，出口端因受套筒节流效应及阀体流道结构影响速度分布较不均匀。套筒内速度由外向内逐级上升，在7MPa压差的工况下，在最内侧套筒中速度达到最大，如B处所示。在入口段及出口段流道拐角处出现了几处范围很小的阀门死区，此处流体静止，速度为0。

图4 z=0水平截面上速度分布云图

　　2.3.3、迹线

　　阀内流体迹线分布如图5所示，迹线是单个质点在连续时间内的流动轨迹线，是拉格朗日法描述流动的一种方法，阀内流体迹线在进口处较为均匀，由套筒进入阀体下腔时分布比较集中，出口处部分由于流道结构特点流体分布较不均匀，如C处所示。

图5 阀内流体迹线分布示意

3、流量特性研究

　　3.1、阀门流量系数模拟计算

　　阀门的流量系数是用于说明规定条件下调节阀流通能力的基本系数，是工业阀门的重要工艺参数和技术指标。该项目所求CV为非国际单位制的调节阀流量系数，在国际上广泛使用。CV表示在一定压力下降的情况下，常温条件的水在一定时间内流过调节阀的体积。

(6)

　　式中：qv——体积流量，m3/h；G——实验流体的密度与水的密度的比值(水=1)；Δp———阀两端测出的静压损失，100kPa。

　　根据GB/T17213.9—2005《工业过程控制阀》第2-3部分：流通能力实验程序中对流量系数的规定：在实验介质为常温水；入口压力分别选择1.0，1.5，3.0MPa三种工况；出口压力为0的条件下进行实验，所得实验数据见表1所列。

　　表1 100%开度流量系数数据

　　取三组数据的算术平均值，得：

CV=(CV1+CV2+CV3)/3=102.93

　　说明该多级套筒调节阀的CV值约为103，可以满足设计要求。

　　3.2、不同开度下的流量系数曲线拟合

　　同理可计算出不同开度下多级套筒调节阀的流量系数，得出数据见表2所列。

表2 不同开度流量系数数据

　　根据表2中所得数据，拟合阀门流量特性曲线如图6所示：

图6 多级套筒调节阀流量特性曲线

　　由图6可见随着调节阀开度的减小，流体所受阻滞作用增大，通过阀门的流体流量减小，阀门的流量系数也随之降低，流量特性曲线基本符合线性分布。

4、结束语

　　1)应用CFD软件对该调节阀阀内流场进行三维湍流数值模拟计算。结果表明：多级套筒调节阀进、出口压力分布均匀，最大压力7.17MPa，分布在阀门进口与最外侧套筒处，套筒中压力逐级稳定下降，在阀体下腔与出口直管段处有局部低压区域；套筒内流速由外向内逐级上升，在最内侧套筒中流速达到最大，第一级套筒内局部最大流速低于常规阀门的最大流速，并且在多级套筒中流体压力的降低与流速的增大都实现了逐级渐变，能有效地防止和减轻由于压力突变所造成的闪蒸汽蚀危害。

　　2)在设计过程中引入了CFD仿真实验，能够精确地计算出多级套筒调节阀的流量系数，大幅提高了一次样机试制的成功率，缩短了开发周期，降低了成本，为多级套筒调节阀的设计与研究提供进一步的参考。