基于CFX的迷宫式调节阀内流场流动特性的仿真

武世敏，周维琴，石月娟，李明滨，王燕昌

(1.宁夏大学机械工程学院，宁夏银川750021;2.长庆油田第三采油厂数字化与科技信息中心，宁夏银川750021;3.吴忠仪表有限责任公司，宁夏吴忠751100;4.宁夏大学新能源研究中心，宁夏银川750021;5.宁夏大学物理电气信息学院，宁夏银川750021)

0 前言

迷宫式调节阀主要应用于石油工业、大型电站的锅炉等运行条件较为恶劣的工况下［1-2］，是非常主要的流量控制压力控制元件之一。另外该阀门也属于多级降压阀，可以将高温高压的液体逐级降压，并且在每一级降压过程中不会发生气蚀现象，当其处于关闭状态时，应能承受高达42 MPa 甚至更高的静压差。对于迷宫式调节阀的在工程中的应用，国内外有很多学者在流量特性与控制性能之间的关系方面进行了大量的研究工作［3-7］。此外，还有一些学者建立了不同的数学模型来研究调节阀的流量特性［8-10］。以下作者对某一类迷宫式调节阀进行了建模，首先对其不同开度下流通特性分别进行模型试验，分析流体在流道中的压力分布特性;其次模拟100%开度下阀前后压差和流过该阀的流量之间的关系，从而为此类阀门的整体设计提供重要的参考。

1 结构模型和内部流场模型

在该研究中，采用某一型号套筒迷宫式调节阀，公称通径为25 mm，公称压力为ANSI2500。流体从侧端进入，底端流出。通过调节阀芯杆的行程，可以改变套筒部件的流通面积，从而实现调节流量的目的。利用SolidWorks 三维建模软件，根据阀门各个零部件的几何尺寸和装配关系，对流体流过的通道进行三维几何建模，针对不同开度分别建模。调节阀开度为100%的几何实体模型如图1所示。

图1 调节阀100%开度流道示意图

由于研究阀门的内部流场和特性，最核心的部分是套筒部件，所以为了简化网格划分和降低计算机计算的占用内存，可以把图1 的1、2、4、5 部分略去，只研究套筒部件的流通特性。所得最后所研究的流道模型如图2所示。

图2 简化后100%流道示意图

2 网格划分

将以上简化后的三维几何实体模型导入前处理网格划分软件Gambit 里进行非结构化网格划分，确定计算域、入口边界、出口边界。在该算例中，流道网格划分采用的是混合六面体网格，网格间距设为1，划分后网格数为111 万左右。开度为100%的流道模型网格划分如图3所示。

设定的进口和出口的边界条件分别为压力进口和压力出口，针对不同开度(共10 个)进行同样的网格划分操作，得到不同开度下的网格Mesh 文件。

图3 调节阀流道网格划分示意图

3 数值模拟计算结果及分析

在CFX-Pre 里将前处理软件Gambit 导出的网格Mesh 文件读入CFX 后，设置流体物性为水，设置入口、出口压力边界条件，进行流场初始化，设定控制参数、定义迭代次数，设置结果文件导出的位置;在CFX-Solver Manager 操作就可以进行计算求解;最后在CFD-Post 里查看求解结果。

3.1 全开时流场模拟仿真分析

根据GB4213-2008-T 气动调节阀的标准，对进出口压差为2.891 21 MPa 条件下，对该迷宫式调节阀的流道和对称面进行分析，研究其内部的流场分布情况，流道对称面上压力分布云图以及速度等值线图如图4、5所示。

图4 XY 平面和YZ 平面压力云图

图5 XY 面和YZ 面上速度矢量图

从图4 可以看出，压力阶梯压降较为明显，分别为3.891 21 MPa 和1 MPa 左右，进出口压差较大，流道的压降主要用于克服调节阀节流元件的阻力。从图5 可以看出，进出口流速比较均匀，进口平均速度为12.648 8 m/s，出口平均速度为16.511 8 m/s。由于水流流至套筒部件的节流元件里，根据连续性方程，流通面积急速下降，速度变大，最大达到47.781 1 m/s，此时的压力也随之迅速降低。

3.2 不同开度下的流通特性仿真

不同开度下同理全开的模拟仿真过程，数值模拟后，记录阀前后压力，并求得相应开度下的压差和流量值，根据公式

Q为体积流量，m3/h;

Fl为压力恢复系数，取0.99;

Δp为压差，100 kPa。

计算得不同开度下Cv值见表1所示，将不同开度下流量模拟所得的流量和压差可计算得相应开度的流量系数Cv值，绘制的流通特性曲线如图6所示。由流量特性曲线的图像可知该阀的流通特性是线性的。

表1 不同开度下仿真的结果

图6 流量特性曲线

3.3 定开度压差和流量的关系仿真

定开度下研究压差和流量的关系，设定全开条件下，阀前压力不断增加，阀后压力保持不变，仿真结果见表2。

表2 全开度压差和流量仿真结果

从表2 可以看出，计算所得流量系数Cv值的结果5.05 左右，而且误差相对较小。根据压差和仿真所得的质量流量绘制的曲线如图7所示。从该压差、流量曲线也可以看出，质量流量随着进出口压差的增大而增大，并且也基本符合线性关系。

图7 压差-流量关系曲线

4 结论与展望

通过对迷宫式调节阀流场的数值模拟及仿真获得以下结论与展望:

(1)在压降几乎相等或变化不大时，阀门开度越大，对应的质量流量也越大，是因为阀门开度越大，流通面积越大，因而流量也越大。压降主要是集中在套筒部件的节流元件节流处，并且逐级减弱，第一级压降最多。

(2)在同一开度下，流量随着进出口压降的增大而增大，基本符合线性流量特性。

(3)通过数值模拟，得出迷宫式调节阀的内部流场的三维可视化结果，为此类调节阀的设计、流道优化以及新产品的研发提供可靠详细依据。进一步对流道中旋涡部位进行流道优化，对降低流体流过调节阀的能量损失，提高能源利用率、提高产品研发周期具有十分重要的意义。

(4)由于研究条件有限，作者仅仅对调节阀门内部流场的研究主要集中在改变阀前后压力及阀门的开度来影响流量。在条件允许的情况下，希望可以对迷宫式调节阀阀体内部压力、速度分布作进一步研究，也可以把边界设置为流量和进口压力或出口压力来研究。从而更量化地揭示出流场高速区对阀门性能参数的影响。

［1］郑建农，孙叶柱.进口电站阀门选型分析［J］.热力发电，2007(2):83-84.

［2］贾青，陶正良.从对我国电站调节阀的调研看其现状及发展前景［J］.水利电力机械，2005，27(1):8-10.

［3］徐锡年，孙华疏，彭宇宁，等.调节阀流量特性理论选用方法和研究［J］.炼油化工自动化，1992(2):51-59.

［4］赵伟国，徐擎天，孙建平.基于CFD 的水轮机密封内部流场的研究［J］.江西电力，2006，30(4):1-3.

［5］张玉润，陈意秋.调节阀流量特性探索［J］.阀门，1997(3):15-19.

［6］陶正良，蔡定硕，严春雷.电站调节阀内流场的三维数值模拟及实验研究［J］.工程热物理学报，2003，24(1):63-65.

［7］AKUZIN K V B.Experience in Operating the Water-injection System Control Valves at Power Station Boilers［J］.Thermal Engineering，2002，49(4):300-305.

［8］徐升茂，高云，刘超颖，等.调节阀的数学模型与稳定性分析［J］.天津纺织工学院学报，1994，13(2):58-64.

［9］徐锡年，孙华疏.解析法选用调节阀流量特性［J］.广西大学学报:自然科学版，1991，16(3):75-78.

［10］邱宏军，张乃波.锅炉给水调节阀型线和各开度下压差的计算［J］.阀门，2007(6):34-37.