多級套筒調(diào)節(jié)閥流場數(shù)值模擬與流量特性研究

　　以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和基于各向同性渦黏性理論的k-ε方程組成多級套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動數(shù)值模擬的控制方程組，依據(jù)數(shù)值計算要求，設定適當?shù)倪吔鐥l件，采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合有限體積法對控制方程組進行離散；應用CFD軟件對多級套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場進行內(nèi)三維湍流流動數(shù)值模擬，分別對其壓力場、速度場和跡線分布進行了分析。結(jié)果表明多級套筒結(jié)構(gòu)的設計能較好地改進閥內(nèi)流動狀況，實現(xiàn)壓力的漸變，有效地避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。在設計過程中引入了CFD仿真實驗，研究了多級套筒調(diào)節(jié)閥的流量特性，提高了樣機試制的成功率，縮短了開發(fā)周期，降低了成本，從而為多級套筒調(diào)節(jié)閥的設計與研究提供借鑒。

　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)閥屬于控制閥系列，它是流體運輸過程和工藝環(huán)路中的重要控制元件，是確保各種工藝設備正常工作的關(guān)鍵設備，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)及日常生活各個領(lǐng)域中。隨著技術(shù)的進步，工業(yè)實踐中的各種場合都對調(diào)節(jié)閥提出了高溫、高壓、高壓差等要求。尤其是應用于高壓差條件下的調(diào)節(jié)閥，極易在閥芯及閥座部位產(chǎn)生嚴重的沖蝕和汽蝕，并伴有強烈的振動和噪聲現(xiàn)象。真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認為這些現(xiàn)象導致在高壓差條件下工作的調(diào)節(jié)閥工作性能降低、使用壽命縮短，帶來安全隱患，給工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的安全高效運轉(zhuǎn)帶來諸多問題，甚至導致嚴重事故發(fā)生。因此，研發(fā)專用于高壓差工況下的特殊調(diào)節(jié)閥意義重大。

　　文中介紹了研發(fā)的多級套筒式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作過程。應用計算流體力學(CFD)軟件對多級套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場進行內(nèi)三維湍流流動數(shù)值模擬，獲得調(diào)節(jié)閥內(nèi)部壓力、速度及跡線的分布。借助CFD仿真實驗的方法，可以得到多級套筒調(diào)節(jié)閥的CV和流量特性曲線，提高樣機試制的成功率，縮短開發(fā)周期，避免常規(guī)設計中，憑借經(jīng)驗參數(shù)或者實際試驗后再修改造成的周期與成本的增加，從而為多級套筒調(diào)節(jié)閥的設計與研究提供進一步的參考。

1、多級套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及工作過程

　　研發(fā)設計的多級套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。該調(diào)節(jié)閥多用于電站、石化、化工行業(yè)及其他高參數(shù)工況下，工作介質(zhì)多為高溫水或過熱蒸汽。通液體時流向為從右向左，液體由套筒外側(cè)流向內(nèi)側(cè)；通氣體時流向為從左至右，氣體由套筒內(nèi)側(cè)流向外側(cè)。由于多級套筒的作用，流體在通過閥體時要經(jīng)歷一個多次逐級降壓的過程，流體每通過一層套筒壓力就會下降一次。多級套筒作為該閥的核心部件，可以使介質(zhì)流速的增加得到抑制，將壓力的變化控制在允許的范圍之內(nèi)，有效地避免和減輕閃蒸空化現(xiàn)象的發(fā)生以及高速流體對閥門部件的沖蝕，延長調(diào)節(jié)閥的使用壽命，并保證設備與系統(tǒng)的可靠運行。

圖1 多級套筒式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意

2、多級套筒調(diào)節(jié)閥流場的數(shù)值模擬

　　2.1、流道實體模型的建立

　　利用Solidworks三維實體建模軟件，對調(diào)節(jié)閥腔內(nèi)部流道建立模型。整體模型由外部閥腔流道與內(nèi)部套筒流道兩部分裝配組成，所建實體模型準確地反映了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實際情況。同時，為使模擬計算時流道兩端的流動得以充分進行以及進出口面流動呈穩(wěn)定均勻，對閥門內(nèi)部流道模型進出口兩端都進行了延伸，建立的流道模型如圖2所示。

圖2 閥內(nèi)流道模型示意

　　2.2、數(shù)值模擬過程控制方程組建立

　　在模擬實驗過程中，調(diào)節(jié)閥流體通道中的實際流動是湍流狀態(tài)的水。在定常條件下，采用了k-ε湍流模型，描述閥內(nèi)的定常不可壓縮流動的方程如下：

(1)

　　動量方程：

(2)

　　紊動能k方程：

(3)

　　紊動能耗散率ε方程：

(4)

　　式中：xi———笛卡爾坐標系坐標，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———壓力；ρ———水的密度；υ———水的運動黏性系數(shù)；υt———渦黏性系數(shù)，υt=Cμk2/ε；P———紊動能生成項，其表達式為

　　k-ε模型中系數(shù)采用了Launder和Spalding的推薦值：Cμ=0.09，C1=1.44，C2=1.92，σk=1。

　　流場出口：流場出口的邊界條件為沿垂直于該斷面方向的壓力梯度為零，有：

(5)

　　式(5)中：u，υ，w———沿不同方向的速度分量，n———垂直于該斷面的局部坐標。

　　固壁邊界：在固壁上選用無滑移條件，速度u=υ=w=0，固壁處的摩阻流速忽略不計。

　　2.3、數(shù)值模擬計算及結(jié)果分析

　　為了保證計算精度，采用以結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格相結(jié)合的劃分方法形成網(wǎng)格。流道兩端的直管段網(wǎng)格采用Hex/Wedge(六面體/楔形)網(wǎng)格進行劃分，中間多級套筒部分的流體通道因為結(jié)構(gòu)比較復雜，所以采用Tet/Hybrid(四面體/混合)網(wǎng)格進行劃分，并且為了使計算結(jié)果更加精確，對每一層套筒中的小孔都分別進行了加密處理。由于計算模型是對稱的，因而取其50%進行模擬計算，以減少網(wǎng)格數(shù)目、節(jié)省計算時間；以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和基于各向同性渦黏性理論的k-ε方程組成調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動數(shù)值模擬的控制方程組，采用有限體積法對控制方程組進行離散；根據(jù)廠方提供的系統(tǒng)運行實際工況參數(shù)，該次計算的進口處壓力為7MPa，出口處壓力為0，介質(zhì)為常溫水，密度ρ=998.2kg/m3。

　　2.3.1、壓力場分析

　　壓力分布云圖如圖3所示，從中可以看出：調(diào)節(jié)閥進、出口壓力分布比較均勻，套筒中壓力逐級穩(wěn)定下降，在閥體下腔與出口直管段處有局部低壓區(qū)域，如A處所示。此工況下，局部最大壓力為7.17MPa，分布在閥門進口與最外側(cè)套筒處。

圖3 z=0水平截面上壓力分布云圖

　　2.3.2、速度場分析

　　速度分布如圖4所示，入口端和閥腔內(nèi)速度分布比較均勻，出口端因受套筒節(jié)流效應及閥體流道結(jié)構(gòu)影響速度分布較不均勻。套筒內(nèi)速度由外向內(nèi)逐級上升，在7MPa壓差的工況下，在最內(nèi)側(cè)套筒中速度達到最大，如B處所示。在入口段及出口段流道拐角處出現(xiàn)了幾處范圍很小的閥門死區(qū)，此處流體靜止，速度為0。

圖4 z=0水平截面上速度分布云圖

　　2.3.3、跡線

　　閥內(nèi)流體跡線分布如圖5所示，跡線是單個質(zhì)點在連續(xù)時間內(nèi)的流動軌跡線，是拉格朗日法描述流動的一種方法，閥內(nèi)流體跡線在進口處較為均勻，由套筒進入閥體下腔時分布比較集中，出口處部分由于流道結(jié)構(gòu)特點流體分布較不均勻，如C處所示。

圖5 閥內(nèi)流體跡線分布示意

3、流量特性研究

　　3.1、閥門流量系數(shù)模擬計算

　　閥門的流量系數(shù)是用于說明規(guī)定條件下調(diào)節(jié)閥流通能力的基本系數(shù)，是工業(yè)閥門的重要工藝參數(shù)和技術(shù)指標。該項目所求CV為非國際單位制的調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)，在國際上廣泛使用。CV表示在一定壓力下降的情況下，常溫條件的水在一定時間內(nèi)流過調(diào)節(jié)閥的體積。

(6)

　　式中：qv——體積流量，m3/h；G——實驗流體的密度與水的密度的比值(水=1)；Δp———閥兩端測出的靜壓損失，100kPa。

　　根據(jù)GB/T17213.9—2005《工業(yè)過程控制閥》第2-3部分：流通能力實驗程序中對流量系數(shù)的規(guī)定：在實驗介質(zhì)為常溫水；入口壓力分別選擇1.0，1.5，3.0MPa三種工況；出口壓力為0的條件下進行實驗，所得實驗數(shù)據(jù)見表1所列。

　　表1 100%開度流量系數(shù)數(shù)據(jù)

　　取三組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，得：

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

　　說明該多級套筒調(diào)節(jié)閥的CV值約為103，可以滿足設計要求。

　　3.2、不同開度下的流量系數(shù)曲線擬合

　　同理可計算出不同開度下多級套筒調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，得出數(shù)據(jù)見表2所列。

表2 不同開度流量系數(shù)數(shù)據(jù)

　　根據(jù)表2中所得數(shù)據(jù)，擬合閥門流量特性曲線如圖6所示：

圖6 多級套筒調(diào)節(jié)閥流量特性曲線

　　由圖6可見隨著調(diào)節(jié)閥開度的減小，流體所受阻滯作用增大，通過閥門的流體流量減小，閥門的流量系數(shù)也隨之降低，流量特性曲線基本符合線性分布。

4、結(jié)束語

　　1)應用CFD軟件對該調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)流場進行三維湍流數(shù)值模擬計算。結(jié)果表明：多級套筒調(diào)節(jié)閥進、出口壓力分布均勻，最大壓力7.17MPa，分布在閥門進口與最外側(cè)套筒處，套筒中壓力逐級穩(wěn)定下降，在閥體下腔與出口直管段處有局部低壓區(qū)域；套筒內(nèi)流速由外向內(nèi)逐級上升，在最內(nèi)側(cè)套筒中流速達到最大，第一級套筒內(nèi)局部最大流速低于常規(guī)閥門的最大流速，并且在多級套筒中流體壓力的降低與流速的增大都實現(xiàn)了逐級漸變，能有效地防止和減輕由于壓力突變所造成的閃蒸汽蝕危害。

　　2)在設計過程中引入了CFD仿真實驗，能夠精確地計算出多級套筒調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，大幅提高了一次樣機試制的成功率，縮短了開發(fā)周期，降低了成本，為多級套筒調(diào)節(jié)閥的設計與研究提供進一步的參考。