供气调节阀内部流场瞬态数值模拟研究

邱宏军

摘 要：文章利用自编UDF程序对供气调节阀变压差工况进行瞬态数值模拟，得到流量随进出口压差的减小而减小；在压差较小时，流量的变化对压差的变化更敏感。利用UDF程序与动网格技术，控制阀芯的运动，对阀门的开启与关闭过程进行数值模拟分析，得到阀门内流量的变化受到阀芯形状的影响；在开度较小时，阀门内流量的变化对阀芯的运动更加敏感。

关键词：供气调节阀；瞬态数值模拟；压差

前言

供气调节阀是一种控制调节元件，是实现管道系统安全经济输送的重要设备[1]。对其出口压力瞬变、阀开启和关闭情况进行详细的了解，对系统的安全和经济性具有重要意义。本文利用自编UDF程序对供气调节阀变压差工况进行瞬态数值模拟及不同时刻流场进行分析；利用UDF程序与动网格技术，控制阀芯运动来对阀开启与关闭过程进行数值模拟分析。

1 出口压力变化的瞬态数值模拟

对阀门出口压力变化时的瞬态过程进行数值模拟研究，对过程中的流场进行分析。

1.1 瞬态数值模拟的条件

通过阀门向储气筒充过热蒸汽，则阀门出口压力即为储气筒的压力。阀门进口压力保持不变 ，为1.2MPa，过热蒸汽温度为350℃，充气过程中充气时间为39s，即阀门出口压力（储气筒的压力）在39s内由0.7MPa升至1.2MPa，充气过程结束。在充气过程中，压力随时间的变化近似为直线变化过程。流动时间t<39s时可用方程p=1.28×e4×t+7×e5表示出口压力随时间的变化。当t≥39s时出口压力维持在1.2MPa。

1.2 编写UDF程序和求解设置

根据以上条件编制UDF程序并对对所有区域进行初始化，迭代时间步长为0.1s，时步数为400，最大迭代数为500，设置每5个时间步，开始迭代运算。

2 计算结果及流场分析

2.1 全开度流量计算

全开时流量随时间变化是在39s内，随着出口压力的增大，流量呈下降趋势。在35s（出口压力约为1.15MPa，质量流量约为0.4kg/s）内，流量下降较为平缓，在35s至39s之间，流量下降较快。在出口压力变化的过程中，流过阀门的过热蒸汽的最大流量约为1.06kg/s，且此时阀门进出口的压差最大，在39s时流量变为0，此时进出口的压差为0。由此可得出，工质不变且阀门开度不变的情况下，阀门流量与进出口的压差有关，压差越大，流量也越大。

2.2 全开度流场数值模拟及分析

（a）10s时的压力云图 （b）20s时的压力云图

图1 全开度条件下不同时刻压力云图（MPa）

（a） 10s时的速度云图 （b） 20s时的速度云图

图2 全开度不同时刻速度云图（m/s）

调节阀各个时刻的压力与速度云图如图1、图2所示。从图中可得，随着时间的推移出口压力逐渐增大，进出口压差逐渐减小，此时阀腔内压力升高，节流处的压力梯度减小，并且阀腔内的整体流速随着压差的减小而降低，节流处减压增速效果减弱。

3 阀门开启与关闭动态过程数值模拟

对阀门开启与关闭动态过程进行数值模拟，阀芯的运动速度为0.003m/s，进口压力保持在1.2MPa，出口压力保持在0.7MPa，工质为385℃的过热蒸汽。利用UDF程序控制阀芯的运动规律[2]，得到不同时刻的流场可视化图形。关闭过程从全开状态开始计算，开启过程从10%小开度（阀门升程为3mm）开始计算。动态计算过程采用了动网格技术。在启闭过程中，上下阀腔内的网格受到拉伸、压缩和重构。由于目前还不能把动网格厚度压缩为零，所以瞬态计算还不能模拟完全闭合的状态[3]。

3.1 关闭过程数值模拟

3.1.1 程序的编写和求解设置

编制UDF程序来控制阀芯的运动。关闭过程阀芯运动速度为0.003m/s，从全开度到接近闭合所需时间为10s。对所有区域进行初始化，迭代时间步长为0.01s，时间步数为1000步，最大迭代数为500，设置每10个时间步对数据自动保存，开始迭代运算。

3.1.2 结果分析

在阀门关闭前稳态状态下的流量为1.12kg/s。随着阀芯向下运动，流量减小。关闭的前半阶段流量变化缓慢，在1到5秒内流量为最大流量的1/4，而在后半阶段，流量变化较快，在5到10秒内减小了约为最大流量的3/4。这是受阀芯形状的影响，进出口压差一定时，流量取决于节流面积；而在后半阶段，阀芯下降节流面积变化较大，导致流量的下降速度变快。

3.1.3 各时刻流场数值模拟分析

各时刻流场压力与速度云图可知，各时刻即阀芯开度为20%、40%、60%与80%，阀芯升程6mm、12mm、18mm与24mm。在阀芯下降中，蒸汽流过阀芯是都有减压增速的效果。随着阀芯的下降，高速区域的范围逐渐减小，且阀腔整体流速降低，进出口流道内的压力越来越均匀。

3.2 开启过程数值模拟

3.2.1 程序编写和求解设置

阀门开启过程UDF程序如下，程序用来控制阀芯的运动，阀芯运动速度为0.003m/s，从10%开度到全开度运动时间为9s。对所有区域进行初始化，迭代时间步长为0.01s，时间步数为900步，最大迭代数为500，设置每10个时间步对数据自动保存，开始迭代运算。

3.2.2 结果分析

在阀门开启前，阀门为10%开度，流量为0.15kg/s。随着阀芯向上运动，流量相应增加。在开启过程的前半阶段，流量增加较快，而在开启的后半阶段，流量增加缓慢。阀门在开启过程结束时达到最大流量1.12kg/s。与关闭过程的分析相同，流量的变化受到阀芯形状的影响，在开启过程的前半阶段，阀门开度较小，流量随之变化较大。而在开启过程的后半阶段，阀芯运动单位升程所引起的节流面积的变化较小，因而流量的变化小。

4 结束语

本文首先利用UDF程序控制阀门出口的压力变化，得到了流量在出口压力连续变化的条件下随时间变化的情况。又利用动网格技术用UDF程序控制阀芯的运动，得到了流量在开启关闭过程中的动态特性。得到结论如下：

（1）阀门流量随着进出口压差的连续变化而连续变化，且流量随着压差的减小而减小；在压差较小时，流量的变化对压差的变化更敏感。

（2）阀门开启与关闭过程中，流量随开度的变化而变化，且流量的变化受到阀芯形状的影响；在开度较小时，阀门流量的变化对阀芯的运动更加敏感。

参考文献

[1]刘刚，方金春，雍歧卫.调节阀动态特性的数值模拟[J].阀门，2004（4）：8-14.

[2]Johnson D A，King L S.Amathematical simple turbulence closure method for attached and seperated turbulent boundary layers.AIAA[J].1985，23（11）：1684-1692.

[3]石娟，姚征，马明轩.调节阀内三维流动与启闭过程的数值模拟及分析[J].上海理工大学学报，2005，37（6）：498-502.endprint

摘 要：文章利用自编UDF程序对供气调节阀变压差工况进行瞬态数值模拟，得到流量随进出口压差的减小而减小；在压差较小时，流量的变化对压差的变化更敏感。利用UDF程序与动网格技术，控制阀芯的运动，对阀门的开启与关闭过程进行数值模拟分析，得到阀门内流量的变化受到阀芯形状的影响；在开度较小时，阀门内流量的变化对阀芯的运动更加敏感。

关键词：供气调节阀；瞬态数值模拟；压差

前言

供气调节阀是一种控制调节元件，是实现管道系统安全经济输送的重要设备[1]。对其出口压力瞬变、阀开启和关闭情况进行详细的了解，对系统的安全和经济性具有重要意义。本文利用自编UDF程序对供气调节阀变压差工况进行瞬态数值模拟及不同时刻流场进行分析；利用UDF程序与动网格技术，控制阀芯运动来对阀开启与关闭过程进行数值模拟分析。

1 出口压力变化的瞬态数值模拟

对阀门出口压力变化时的瞬态过程进行数值模拟研究，对过程中的流场进行分析。

1.1 瞬态数值模拟的条件

通过阀门向储气筒充过热蒸汽，则阀门出口压力即为储气筒的压力。阀门进口压力保持不变 ，为1.2MPa，过热蒸汽温度为350℃，充气过程中充气时间为39s，即阀门出口压力（储气筒的压力）在39s内由0.7MPa升至1.2MPa，充气过程结束。在充气过程中，压力随时间的变化近似为直线变化过程。流动时间t<39s时可用方程p=1.28×e4×t+7×e5表示出口压力随时间的变化。当t≥39s时出口压力维持在1.2MPa。

1.2 编写UDF程序和求解设置

根据以上条件编制UDF程序并对对所有区域进行初始化，迭代时间步长为0.1s，时步数为400，最大迭代数为500，设置每5个时间步，开始迭代运算。

2 计算结果及流场分析

2.1 全开度流量计算

全开时流量随时间变化是在39s内，随着出口压力的增大，流量呈下降趋势。在35s（出口压力约为1.15MPa，质量流量约为0.4kg/s）内，流量下降较为平缓，在35s至39s之间，流量下降较快。在出口压力变化的过程中，流过阀门的过热蒸汽的最大流量约为1.06kg/s，且此时阀门进出口的压差最大，在39s时流量变为0，此时进出口的压差为0。由此可得出，工质不变且阀门开度不变的情况下，阀门流量与进出口的压差有关，压差越大，流量也越大。

2.2 全开度流场数值模拟及分析

（a）10s时的压力云图 （b）20s时的压力云图

图1 全开度条件下不同时刻压力云图（MPa）

（a） 10s时的速度云图 （b） 20s时的速度云图

图2 全开度不同时刻速度云图（m/s）

调节阀各个时刻的压力与速度云图如图1、图2所示。从图中可得，随着时间的推移出口压力逐渐增大，进出口压差逐渐减小，此时阀腔内压力升高，节流处的压力梯度减小，并且阀腔内的整体流速随着压差的减小而降低，节流处减压增速效果减弱。

3 阀门开启与关闭动态过程数值模拟

对阀门开启与关闭动态过程进行数值模拟，阀芯的运动速度为0.003m/s，进口压力保持在1.2MPa，出口压力保持在0.7MPa，工质为385℃的过热蒸汽。利用UDF程序控制阀芯的运动规律[2]，得到不同时刻的流场可视化图形。关闭过程从全开状态开始计算，开启过程从10%小开度（阀门升程为3mm）开始计算。动态计算过程采用了动网格技术。在启闭过程中，上下阀腔内的网格受到拉伸、压缩和重构。由于目前还不能把动网格厚度压缩为零，所以瞬态计算还不能模拟完全闭合的状态[3]。

3.1 关闭过程数值模拟

3.1.1 程序的编写和求解设置

编制UDF程序来控制阀芯的运动。关闭过程阀芯运动速度为0.003m/s，从全开度到接近闭合所需时间为10s。对所有区域进行初始化，迭代时间步长为0.01s，时间步数为1000步，最大迭代数为500，设置每10个时间步对数据自动保存，开始迭代运算。

3.1.2 结果分析

在阀门关闭前稳态状态下的流量为1.12kg/s。随着阀芯向下运动，流量减小。关闭的前半阶段流量变化缓慢，在1到5秒内流量为最大流量的1/4，而在后半阶段，流量变化较快，在5到10秒内减小了约为最大流量的3/4。这是受阀芯形状的影响，进出口压差一定时，流量取决于节流面积；而在后半阶段，阀芯下降节流面积变化较大，导致流量的下降速度变快。

3.1.3 各时刻流场数值模拟分析

各时刻流场压力与速度云图可知，各时刻即阀芯开度为20%、40%、60%与80%，阀芯升程6mm、12mm、18mm与24mm。在阀芯下降中，蒸汽流过阀芯是都有减压增速的效果。随着阀芯的下降，高速区域的范围逐渐减小，且阀腔整体流速降低，进出口流道内的压力越来越均匀。

3.2 开启过程数值模拟

3.2.1 程序编写和求解设置

阀门开启过程UDF程序如下，程序用来控制阀芯的运动，阀芯运动速度为0.003m/s，从10%开度到全开度运动时间为9s。对所有区域进行初始化，迭代时间步长为0.01s，时间步数为900步，最大迭代数为500，设置每10个时间步对数据自动保存，开始迭代运算。

3.2.2 结果分析

在阀门开启前，阀门为10%开度，流量为0.15kg/s。随着阀芯向上运动，流量相应增加。在开启过程的前半阶段，流量增加较快，而在开启的后半阶段，流量增加缓慢。阀门在开启过程结束时达到最大流量1.12kg/s。与关闭过程的分析相同，流量的变化受到阀芯形状的影响，在开启过程的前半阶段，阀门开度较小，流量随之变化较大。而在开启过程的后半阶段，阀芯运动单位升程所引起的节流面积的变化较小，因而流量的变化小。

4 结束语

本文首先利用UDF程序控制阀门出口的压力变化，得到了流量在出口压力连续变化的条件下随时间变化的情况。又利用动网格技术用UDF程序控制阀芯的运动，得到了流量在开启关闭过程中的动态特性。得到结论如下：

（1）阀门流量随着进出口压差的连续变化而连续变化，且流量随着压差的减小而减小；在压差较小时，流量的变化对压差的变化更敏感。

（2）阀门开启与关闭过程中，流量随开度的变化而变化，且流量的变化受到阀芯形状的影响；在开度较小时，阀门流量的变化对阀芯的运动更加敏感。

参考文献

[1]刘刚，方金春，雍歧卫.调节阀动态特性的数值模拟[J].阀门，2004（4）：8-14.

[2]Johnson D A，King L S.Amathematical simple turbulence closure method for attached and seperated turbulent boundary layers.AIAA[J].1985，23（11）：1684-1692.

[3]石娟，姚征，马明轩.调节阀内三维流动与启闭过程的数值模拟及分析[J].上海理工大学学报，2005，37（6）：498-502.endprint

摘 要：文章利用自编UDF程序对供气调节阀变压差工况进行瞬态数值模拟，得到流量随进出口压差的减小而减小；在压差较小时，流量的变化对压差的变化更敏感。利用UDF程序与动网格技术，控制阀芯的运动，对阀门的开启与关闭过程进行数值模拟分析，得到阀门内流量的变化受到阀芯形状的影响；在开度较小时，阀门内流量的变化对阀芯的运动更加敏感。

关键词：供气调节阀；瞬态数值模拟；压差

前言

供气调节阀是一种控制调节元件，是实现管道系统安全经济输送的重要设备[1]。对其出口压力瞬变、阀开启和关闭情况进行详细的了解，对系统的安全和经济性具有重要意义。本文利用自编UDF程序对供气调节阀变压差工况进行瞬态数值模拟及不同时刻流场进行分析；利用UDF程序与动网格技术，控制阀芯运动来对阀开启与关闭过程进行数值模拟分析。

1 出口压力变化的瞬态数值模拟

对阀门出口压力变化时的瞬态过程进行数值模拟研究，对过程中的流场进行分析。

1.1 瞬态数值模拟的条件

通过阀门向储气筒充过热蒸汽，则阀门出口压力即为储气筒的压力。阀门进口压力保持不变 ，为1.2MPa，过热蒸汽温度为350℃，充气过程中充气时间为39s，即阀门出口压力（储气筒的压力）在39s内由0.7MPa升至1.2MPa，充气过程结束。在充气过程中，压力随时间的变化近似为直线变化过程。流动时间t<39s时可用方程p=1.28×e4×t+7×e5表示出口压力随时间的变化。当t≥39s时出口压力维持在1.2MPa。

1.2 编写UDF程序和求解设置

根据以上条件编制UDF程序并对对所有区域进行初始化，迭代时间步长为0.1s，时步数为400，最大迭代数为500，设置每5个时间步，开始迭代运算。

2 计算结果及流场分析

2.1 全开度流量计算

全开时流量随时间变化是在39s内，随着出口压力的增大，流量呈下降趋势。在35s（出口压力约为1.15MPa，质量流量约为0.4kg/s）内，流量下降较为平缓，在35s至39s之间，流量下降较快。在出口压力变化的过程中，流过阀门的过热蒸汽的最大流量约为1.06kg/s，且此时阀门进出口的压差最大，在39s时流量变为0，此时进出口的压差为0。由此可得出，工质不变且阀门开度不变的情况下，阀门流量与进出口的压差有关，压差越大，流量也越大。

2.2 全开度流场数值模拟及分析

（a）10s时的压力云图 （b）20s时的压力云图

图1 全开度条件下不同时刻压力云图（MPa）

（a） 10s时的速度云图 （b） 20s时的速度云图

图2 全开度不同时刻速度云图（m/s）

调节阀各个时刻的压力与速度云图如图1、图2所示。从图中可得，随着时间的推移出口压力逐渐增大，进出口压差逐渐减小，此时阀腔内压力升高，节流处的压力梯度减小，并且阀腔内的整体流速随着压差的减小而降低，节流处减压增速效果减弱。

3 阀门开启与关闭动态过程数值模拟

对阀门开启与关闭动态过程进行数值模拟，阀芯的运动速度为0.003m/s，进口压力保持在1.2MPa，出口压力保持在0.7MPa，工质为385℃的过热蒸汽。利用UDF程序控制阀芯的运动规律[2]，得到不同时刻的流场可视化图形。关闭过程从全开状态开始计算，开启过程从10%小开度（阀门升程为3mm）开始计算。动态计算过程采用了动网格技术。在启闭过程中，上下阀腔内的网格受到拉伸、压缩和重构。由于目前还不能把动网格厚度压缩为零，所以瞬态计算还不能模拟完全闭合的状态[3]。

3.1 关闭过程数值模拟

3.1.1 程序的编写和求解设置

编制UDF程序来控制阀芯的运动。关闭过程阀芯运动速度为0.003m/s，从全开度到接近闭合所需时间为10s。对所有区域进行初始化，迭代时间步长为0.01s，时间步数为1000步，最大迭代数为500，设置每10个时间步对数据自动保存，开始迭代运算。

3.1.2 结果分析

在阀门关闭前稳态状态下的流量为1.12kg/s。随着阀芯向下运动，流量减小。关闭的前半阶段流量变化缓慢，在1到5秒内流量为最大流量的1/4，而在后半阶段，流量变化较快，在5到10秒内减小了约为最大流量的3/4。这是受阀芯形状的影响，进出口压差一定时，流量取决于节流面积；而在后半阶段，阀芯下降节流面积变化较大，导致流量的下降速度变快。

3.1.3 各时刻流场数值模拟分析

各时刻流场压力与速度云图可知，各时刻即阀芯开度为20%、40%、60%与80%，阀芯升程6mm、12mm、18mm与24mm。在阀芯下降中，蒸汽流过阀芯是都有减压增速的效果。随着阀芯的下降，高速区域的范围逐渐减小，且阀腔整体流速降低，进出口流道内的压力越来越均匀。

3.2 开启过程数值模拟

3.2.1 程序编写和求解设置

阀门开启过程UDF程序如下，程序用来控制阀芯的运动，阀芯运动速度为0.003m/s，从10%开度到全开度运动时间为9s。对所有区域进行初始化，迭代时间步长为0.01s，时间步数为900步，最大迭代数为500，设置每10个时间步对数据自动保存，开始迭代运算。

3.2.2 结果分析

在阀门开启前，阀门为10%开度，流量为0.15kg/s。随着阀芯向上运动，流量相应增加。在开启过程的前半阶段，流量增加较快，而在开启的后半阶段，流量增加缓慢。阀门在开启过程结束时达到最大流量1.12kg/s。与关闭过程的分析相同，流量的变化受到阀芯形状的影响，在开启过程的前半阶段，阀门开度较小，流量随之变化较大。而在开启过程的后半阶段，阀芯运动单位升程所引起的节流面积的变化较小，因而流量的变化小。

4 结束语

本文首先利用UDF程序控制阀门出口的压力变化，得到了流量在出口压力连续变化的条件下随时间变化的情况。又利用动网格技术用UDF程序控制阀芯的运动，得到了流量在开启关闭过程中的动态特性。得到结论如下：

（1）阀门流量随着进出口压差的连续变化而连续变化，且流量随着压差的减小而减小；在压差较小时，流量的变化对压差的变化更敏感。

（2）阀门开启与关闭过程中，流量随开度的变化而变化，且流量的变化受到阀芯形状的影响；在开度较小时，阀门流量的变化对阀芯的运动更加敏感。

参考文献

[1]刘刚，方金春，雍歧卫.调节阀动态特性的数值模拟[J].阀门，2004（4）：8-14.

[2]Johnson D A，King L S.Amathematical simple turbulence closure method for attached and seperated turbulent boundary layers.AIAA[J].1985，23（11）：1684-1692.

[3]石娟，姚征，马明轩.调节阀内三维流动与启闭过程的数值模拟及分析[J].上海理工大学学报，2005，37（6）：498-502.endprint