隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，各種輸氣和輸液管道系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。閥門(mén)在這些管道系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，用來(lái)控制流體的流動(dòng)方向、流量大小和壓差大小。調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)化技術(shù)中*常見(jiàn)的執(zhí)行元件之一，廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)部門(mén)。調(diào)節(jié)閥又稱(chēng)控制閥，它是過(guò)程控制系統(tǒng)中用動(dòng)力操作去改變流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門(mén)部件兩部分組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)起推動(dòng)作用，而閥起調(diào)節(jié)流量的作用。本文通過(guò)ANSYSWorkbench軟件（Fluent分析模塊）數(shù)值模擬某一種型號(hào)調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流體的流量、壓力等物理量變化情況，分析調(diào)節(jié)閥的流量特性，并將實(shí)際流量特性與等百分比流量特性進(jìn)行對(duì)比。

    常用的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)節(jié)閥種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)多種多樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且調(diào)節(jié)閥的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)還在不斷地變化和更新。因此以往的試驗(yàn)結(jié)果歸納總結(jié)出來(lái)的公式、系數(shù)只能適合幾種常見(jiàn)類(lèi)型，用來(lái)估算閥門(mén)內(nèi)部的的流動(dòng)特性誤差較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算的發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行模擬仿真分析，已經(jīng)成為一種普遍應(yīng)用的工程分析技術(shù)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展為人們很好地了解閥門(mén)內(nèi)部流體的流動(dòng)情況提供了很好的途徑。

    在流體運(yùn)動(dòng)中遵循三個(gè)*基本的守恒方程，即質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。通過(guò)網(wǎng)格劃分就可以把流體模型劃分成多個(gè)控制體，對(duì)于每一個(gè)控制體運(yùn)用流體運(yùn)動(dòng)的三個(gè)基本方程進(jìn)行模擬計(jì)算和分析。

連續(xù)性方程的微分形式為：

連續(xù)性方程又稱(chēng)質(zhì)量守恒方程，該方程可用于可壓流動(dòng)和不可壓流動(dòng)。

動(dòng)量守恒方程為：

式中  p——靜壓；

τij——應(yīng)力張量，其表達(dá)式為

gi——i方向上的重力體積力；

Fi——i方向上的外部體積力。

能量守恒方程為：

式中  keff——有效熱導(dǎo)系數(shù)；

Jj′——組分j′的擴(kuò)散通量；

Sh——化學(xué)反應(yīng)熱和其他體積熱源。

其中，keff=kt+k。方程右邊前三項(xiàng)為導(dǎo)熱項(xiàng)、組分?jǐn)U散項(xiàng)和黏性耗散項(xiàng)。

對(duì)于理想氣體，

對(duì)于不可壓縮氣體，

2.1 調(diào)節(jié)閥流道的結(jié)構(gòu)建模

    本文采用某型號(hào)調(diào)節(jié)閥，運(yùn)用三維建模軟件建立調(diào)節(jié)閥的實(shí)體模型，通過(guò)布爾運(yùn)算抽取調(diào)節(jié)閥及加長(zhǎng)管道部分。為了更好更準(zhǔn)確地模擬閥體內(nèi)部流動(dòng)情況，對(duì)閥出口管段進(jìn)行加長(zhǎng)，加長(zhǎng)管道的長(zhǎng)度大約為250mm（約為管道直徑的5倍）。圖2所示為調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為10%時(shí)流道的剖面實(shí)體模型。

圖2 調(diào)節(jié)閥10%開(kāi)度時(shí)流道剖面

2.2 計(jì)算網(wǎng)格的劃分

    將調(diào)節(jié)閥流道的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench（網(wǎng)格劃分）軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的前處理。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，建立流道模型的一半作為計(jì)算模型。為了提高計(jì)算精度和考慮數(shù)值計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)的要求，在劃分網(wǎng)格時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。劃分后的網(wǎng)格數(shù)大約為5萬(wàn)左右。設(shè)置邊界條件為壓力入口和壓力出口，流道模型剖面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)面邊界。調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為10%的流道網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)閥流道網(wǎng)格

3.1 邊界條件設(shè)置

    將處理后的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent分析模塊，并進(jìn)行邊界條件和流體屬性設(shè)置，選擇合適的求解方程及模型。設(shè)置流體屬性為ideal-gas，流體屬性參數(shù)保持默認(rèn)值。設(shè)置入口和出口壓力，使得壓差分別為0.4MPa、0.55MPa、0.66MPa、0.7MPa，并分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。湍流模型選用Spalart-Allmaras湍流模型（S-A方程湍流模型）。S-A方程湍流模型常用于大梯度和近壁氣體流動(dòng)的數(shù)值模擬。不同開(kāi)度和不同壓差下的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同開(kāi)度和不同壓差下數(shù)值模擬的流量系數(shù)值

3.2 流量系數(shù)的結(jié)果分析

    從表1可以看出，在同一壓差條件下，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨開(kāi)度的增加而增大，開(kāi)度越大調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)也越大，當(dāng)調(diào)節(jié)閥為全開(kāi)狀態(tài)時(shí)流量系數(shù)**。在同一開(kāi)度條件下，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨著壓差的增大而增大，進(jìn)出口壓差越大調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)也越大。從圖4可以看出，不同壓差下調(diào)節(jié)閥流量特性曲線(xiàn)吻合較好，流量特性基本一致。在開(kāi)度較小時(shí)，由于調(diào)節(jié)閥前后的壓差作用，調(diào)節(jié)閥的流量會(huì)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從而使得流量系數(shù)在小開(kāi)度時(shí)增長(zhǎng)較快。在開(kāi)度較大時(shí)，調(diào)節(jié)閥流量基本趨于穩(wěn)定，流量系數(shù)的增長(zhǎng)較慢緩。在開(kāi)度小于60%時(shí)，調(diào)節(jié)閥的流量特性與等百分比流量特性趨勢(shì)基本一致；在開(kāi)度較大時(shí)，與等百分比流量特性相比，調(diào)節(jié)閥流量特性有下降趨勢(shì)。

圖4 不同壓差下的流量系數(shù)與等百分比流量特性曲線(xiàn)對(duì)比

    對(duì)開(kāi)度為50%時(shí)調(diào)節(jié)閥在不同壓差下的流場(chǎng)進(jìn)行分析。選取不同壓差下的壓力云圖和壓差為0.4MPa、0.6MPa的速度等值線(xiàn)圖進(jìn)行分析。從圖5~圖7可以看出，壓力和速度變化**的地方出現(xiàn)在閥芯啟閉的部位。在閥門(mén)出口的拐角處也出現(xiàn)了明顯的壓力和速度值的變化，該處壓力和速度值的變化是由于產(chǎn)生渦漩造成的。在閥門(mén)的進(jìn)出口位置和閥腔內(nèi)流體流動(dòng)比較均勻，壓力和速度值保持恒定。流體的**流速還與閥的前后壓差成正比關(guān)系，隨調(diào)節(jié)閥前后壓差的增大而增大，并且調(diào)節(jié)閥的**速度出現(xiàn)在閥芯啟閉部位。由能量守恒可知，在閥門(mén)壓力大的地方流體的流速相對(duì)較小，流體流速**的部位流體壓力值*小。

圖5 不同壓差下的壓力云圖

圖6 0.4MPa壓差時(shí)的速度等值線(xiàn)圖

圖7 0.6MPa壓差時(shí)的速度等值線(xiàn)圖

    由上述分析結(jié)果可知，調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)隨調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和壓差的增加而呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在同一開(kāi)度下，調(diào)節(jié)閥壓差的改變對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)值的變化影響不大。調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)隨開(kāi)度變化的變化量很小。

   從壓力云圖和速度等值線(xiàn)圖可以看出，調(diào)節(jié)閥壓力與速度增長(zhǎng)成反比的關(guān)系，壓力大的地方速度值較小。由能量守恒知，當(dāng)壓力增大時(shí)，速度會(huì)相應(yīng)地減小，速度較小的地方壓力值相應(yīng)地較大。在閥芯閥座處，由于節(jié)流作用而在附近產(chǎn)生縮流，該處流體速度增大，但靜壓減小。