基于CFD技术的节流阀流量特性的数值模拟分析

李辉

（科倍隆机械设备系统（上海）有限公司，上海201619）

0 引言

节流阀是通过改变通路截面积或节流长度以控制流体流量的阀门［1-2］。节流阀是结构最简单、应用广泛的流量控制阀,具有价格低廉、调节方便的优点。由于节流阀的流量不仅取决于节流口面积的大小，还与节流口前后的压差有关，因此在选择节流口流量的工艺参数方面，节流阀的流量特性是一个很重要的指标。获取节流阀的流量特性，往往需要通过一系列的实验方法获得，不仅需要较长时间的实验确定，而且需要昂贵的实验装置和实验成本。为了能够快速获得节流阀的流量特性参数，这里提出了采用CFD数值模拟实验的方法来获取节流阀的相关流量特性。

图1 节流阀外形图

随着计算流体力学（CFD）的可靠性不断提高［3-4］，CFD 软件在研究流体机械的流场问题领域中得到了广泛的应用。本文采用CFD技术对节流阀的的内部流场进行数值模拟，借助于SolidWorks Flow Simulation模块对节流阀的内部结构进行数值模拟实 验［5］，从 而 得 到节流阀的流量特性参数，来指导节流阀产品的选型和设计。

图2 节流阀结构图

1 结构模型

节流阀的结构模型采用SolidWorks来建立，规格为3＂-3000Psi，如图1所示，其内部节流结构主要是由节流针式阀芯和阀座构成，如图2所示。

1.1 控制方程组

过滤器内流动属于湍流，流体属于黏性不可压缩流体，满足纳维叶-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，黏性系数为一常数的形式，即：

Navier-Stokes方程比较准确地描述了实际的流动，黏性流体的流动分析均可归结为对此方程的研究。

1.2 湍流模型

采用标准k-ε湍流模型，该模型的控制方程组可写为：

式中：Gk为由于平均速度梯度引起的湍流能k的产生项；Gb为由于浮力引起的湍流能k的产生项；YM为可压湍流中脉动扩张的贡献，对于不可压流体，Gb=YM=0；C1ε、C2ε、C3ε、σk和 σε为经验常数，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3；Ρ 为流体密度；k 为湍动能；ε 为湍动能耗散率；u为流体相对速度；μ为流体动力黏度。

2 模拟分析

2.1 模拟实验设置

由于数值模拟实验是在虚拟的环境下用数学模型分析的方法来执行的，所以可以忽略其它在试验中可能会影响实验结果的物理因素［6］，这里根据流量特性Kv值的定义，对实验介质的参数定义如下：实验介质为水；介质密度为1000 kg/m3；进口压力为0.35 MPa；出口压力为0.25 MPa；温度为20℃。

2.2 边界条件

为保证流场流动充分，在节流阀的进出口两端均加有长度为5倍直径的直管段。

采用Flow Simulation模块对节流阀模型进行网格划分，划分精度控制为5级，并采取网格自适应模式，共划分12844个节点。

边界条件的设置为：进口处压力（总压）大小为0.35 MPa；出口处压力（静压）大小为0.25 MPa；固体壁面边界条件（默认），其流道壁面粗糙度设置为Ra6.3。

3 模拟计算

经过计算机的模拟运算后，得出节流阀在各个开度下的流量值，根据流量特性Kv值的定义，可以认定此时的流量值即为Kv值，图3～图5依次为节流阀在开度为30%、60%和90%的情况下的流场速度云图。

图330%开度下的速度云图

图460%开度下的速度云图

图590%开度下的速度云图

根据上述速度云图的特征可以看出，随着阀门的开启，节流阀的内部流体的阀芯出口位置最大瞬时流速从两侧逐渐向中心移动（如图3～图4所示），到开启到最大位置时，阀芯出口位置流场速度呈均匀状态（如图5所示），根据调节阀设计的相关文献［2］，这和实际流场流动的情况是吻合的。

根据模拟仿真的结果，可以得到节流阀的出口流量数据，如表1所示。

表1 节流阀在各个开度下的Kv值

由表1可绘制出该节流阀的流量特性曲线，如图6所示。

图6 节流阀的流量特性曲线

从节流阀的流量特性曲线可以看出，该节流阀的流量特性近似于直线，这和阀芯的锥面的结构形状是有关的，也符合调节阀的相关设计理论，说明了模拟仿真的结果是和调节阀设计的理论相一致的。

根据流体力学理论计算流量的公式

在节流阀所在系统的压差和流体介质密度已知的情况下，根据相应的参数，就可计算出当前的节流阀出口流量，根据我们在客户的现场了解的参数，在开度50%的情况下，进出口压差Δp=12 MPa；介质密度ρ=1200 kg/m3；流量Q=413 m3/h。

利用式（4）计算的流量Q为427.3 m3/h，相对误差仅为3.35%。

改变边界设置条件，对该工况进行数值模拟，介质设置如下：介质密度为1200 kg/m3；温度为20℃。

边界条件设置如下：进口处压力（总压）大小为15.1MPa；出口处压力（静压）大小为3.1MPa；固体壁面边界条件(默认)，其流道壁面粗糙度设置为Ra6.3。

经过模拟仿真计算后的流量为Q=421 m3/h，和实际情况下的流量相比，误差为1.8%，这说明通过模拟仿真实验计算出的结果是能够符合实际情况的。

4 结论

通过模拟仿真计算的结果和现场实际工况符合的，可以用来作为计算的依据。通过计算机模拟仿真计算不仅可以得到相对精确的结论，而且可以观察到节流阀的内部流场的分布情况，不仅能够用来指导节流阀产品的设计，且可以用来验证设计产品的性能，从而提高设计的可靠性。

通过计算机模拟仿真计算，可以很大程度上来代替代价昂贵的实验设备，节约大量的实验时间，得出的最终结论可以用来作为设计人员的设计参考依据。

［1］ 杨源泉.阀门设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1992.

［2］ 陆培文.实用阀门设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［3］ 陈超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation 教程［M］.北京：机械工业出版社，2012.

［4］ 巴鹏，邹长星，张秀绗.基于CFD技术的截止阀启闭时流场动态模拟［J］.润滑与密封，2010，35（7）：80-85.

［5］ 于建.节流阀阀瓣调节特性仿真研究［J］.阀门，2011（4）：39-40.

［6］ 巴鹏，房元灿，谭效武.基于CFD技术的管道过滤器内部流场模拟及其结构优化设计［J］.润滑与密封，2011，36（4）：98-101.