基于Workbench Fluent对阀门流量分析的应用研究

李建刚，徐翠翠，施俊杰，王清清

（江苏神通阀门股份有限公司，江苏 启东 226200）

阀门为截断、接通流体通路或改变流向、流量及压力值的装置。对于流体系统，阀门的流量系数代表了阀门在管道流体系统中的流通能力也可理解为阀门在管道系统的能量消耗。当然，通过流量试验得出阀门的流量系数会更加准确，但如果需要进一步优化流量系数，需要重新优化设计和制造，增加了企业成本，延长了产品的开发周期。Workbench Fluent仿真分析的应用可在产品生产制造之前，就对阀门进行流量分析验证，降低企业生产成本，缩短产品开发周期。

1 阀门流量分析遵循标准

阀门流量分析与流量试验方法一致，遵循GB/T30832-2014《阀门流量系数和流阻系数试验方法》，对于阀门的流量分析，通过三维软件建立阀门三维模型，同时按照图1，分别建立L1以及L2、L3的标准管道模型，其中L2的管道长度应大于或等于5倍阀门公称口径尺寸，L3的管道长度应大于或等于10倍阀门公称口径尺寸，L1应等于L2和L3之和，并依据图1的布置方式和顺序连同阀门模型建立流体分析三维模型。并根据GB/T30832-2014里的Kv或Cv公式计算得出阀门的流量系数。

图1 流体仿真分析布置图

2 Workbench Fluent简介

Fluent 是一款在Workbench中集成的软件，利用经认证的计算流体力学（CFD）技术计算三维模型内外的流体（气体或液体）状态，可用来模拟从不可压缩到高度压缩范围内复杂流动。由于该软件采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而能达到最佳的收敛速度和求解精度。

Fluent被广泛用于对设计优化和性能分析要求极高的多种行业及各种应用，如阀门和调节阀、液压组件和充气组件、热交换器、涡轮设计、电子设备，以及航空航天、石油天然气、汽车设计等许多其他产品。

3 Fluent分析步骤

3.1 阀门流体分析的三维建模

通过三维软件对阀门及管道进行三维特征造型建模。目前大多数三维建模软件的参数化和特征造型技术可满足绝大部分的工程设计的需要。既能真实反映实际设计原型，也可考虑计算的真实性和可行性，对三维模型进行局部位置的简化。

建立管道L1、L2和L3的三维管道及阀门模型，并依据图1的流量试验管道布置方式，装配三维流量分析模型。阀门流量分析模型见图2、管道流量分析模型见图3。其中L1长度为15DN，L2长度为5DN，L3长度为10DN。

图2 阀门和管道三维模型

图3 L1长度的管道三维模型

3.2 网格划分

根据图2和图3的模型在Fluent软件中反向建模得出模型内部流域三维实体，并对该流域三维实体进行网格划分。完成网格划分后，分别设置图2的1侧为进口，2侧为出口，图3的3侧为进口，4侧为出口。设置进口和出口是为了后期设置边界条件和监控该处压力等数据。

3.3 流量分析设置

（1）首先设置流量分析的介质和流体状态，对于常用的流量分析的介质，例如水、气体、蒸汽等。在Fluent模块中已收录了常用的流量分析介质。在此，我们设置介质为水。

（2）设置流体分析的边界条件，一般对于阀门的流量分析，主要设置进口流体速度和出口的压力两个边界条件。一般设置流体速度为1～5m/s，出口的压力设置为环境压力。

（3）计算模型选择通用的Standard K-epsilon。求解方法选择基于单元的格林-高斯法，求解精度均设为二阶迎风精度。

（4）设置进口压力和出口速度值的监测，用于得出计算结果的进口压力和出口流速，同时可以方便在分析过程中检测进口压力和出口流速的收敛性。

3.4 分析结果后处理

通过Fluent软件中面目标可得出，L1入口处的压力p1，L2进口处的压力p2以及L1、L3出口处的流速等数据。p1和p2的差值就是阀门的净压差△pv。同时，也可以得出阀门的流量、流速、压力云图，可以帮助分析人员更加直接的观察阀门的流体状态。

3.5 流量计算

通过分析结果得出压力和流量可根据GB/T30832-2014的公式：

式中，Q为流体水的流量，m3/h；Δpv为阀门的净压差，kPa；ρ为水的密度，kg/m3；ρ0为15℃时水的密度，kg/m3。

模拟分析时，为减少偶然性的影响，采用不同流速边界条件分别进行分析，以确保最终分析结果更加接近实际，经过多个流速分析与实际流量试验及对比，得出采用不同流速得出的结果平均值更加接近流量实测结果。以DN250和DN350中线蝶阀为例，经过按照0.1m/s、0.5m/s、1m/s、2m/s、5m/s等几个流速加载模型进行流量分析，得出的Kv的平均值分别5274.72m3/h和9917.06m3/h，该阀门在合肥通用所进行的流量实测值分别为5193.97m3/h和9840.33m3/h。流量分析与流量试验误差在2%以内，达到了工程实际使用数据误差范围内。

4 结语

由此可见，Workbench的Fluent模块的阀门流量模拟分析数据可应用于实际工程，同时在设计阶段就可验证和优化阀门流道。可降低企业成本，缩短产品开发周期。