基于CFD 仿真的调节阀流动特性分析

谢玉东 王海波 包木鹏 王勇

（1.山东大学 机械工程学院，济南 250061；2.高效洁净机械制造教育部重点实验室（山东大学)，济南 250061；3.艾坦姆流体控制技术（山东）有限公司，济宁 273516；）

调节阀在管网系统和阀门系统中均得到了广泛应用，是管网系统中必不可少的元件。阀笼在调节阀中起到通流的作用，其性能对于调节阀功能的发挥至关重要。目前，已有部分专家学者对阀笼进行了研究。于嘉琛[1]、包锦峰等[2]研究了阀笼式调节阀的性能，分析了阀笼式调节阀的流量特性和力学特性。周广伶等[3]、张婷等[4]研究了调节阀阀笼的设计。仇畅[5]、吴文奎[6]探讨了阀笼的加工及其应用性能。阀笼通流面积和通流形状决定着调节阀的流动特性，因此基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真来分析调节阀阀笼的通流面积和通流形状对调节阀流动特性的影响。

1 创建阀笼物理模型

调节阀的阀笼是决定整个阀门流通特性的关键。调节阀（含阀笼）的流场模型如图1 所示。阀笼上通流结构的面积与形状是影响阀门流动特性的重要因素，为了解调节阀阀笼对阀门流动特性的影响，对调节阀阀笼的流通面积和流通结构进行分析[7-8]。不同调节阀阀笼通流形状如图2 所示。

图1 调节阀（含阀笼）流场模型

图2 调节阀阀笼通流形状

2 数值模拟

2.1 网格划分

为分析调节阀阀笼的流动特性，首先对调节阀进行网格划分。为保证仿真数据的准确性和可靠性，在建立调节阀流场模型时，将阀前管道加长2 倍，阀后管道加长6 倍，同时对阀笼部分进行网格加密。调节阀流道网格划分如图3 所示。

图3 调节阀流道网格划分图

2.2 设置边界条件

将调节阀入口设置为速度入口，其速度为2 m·s-1，管道出口设置为压强出口，默认为大气压。每个时间步最大迭代次数设置为400 次。

2.3 设置Fluent 求解器

采用ANSYS Fluent 软件，基于Standard k-ε 模型进行仿真。压强-速度耦合采用压力耦合方程组的半隐式方法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations，SIMPLE）。在控制方程的离散格式上，压强方程、动量方程、紊动能方程和耗散率方程采用二阶迎风格式。流场的连续性残差收敛标准设为1×10-3。

3 阀笼通流面积对阀门性能影响分析

阀笼作为调节阀的关键部分，其流通面积对流动特性起到决定性的作用。为研究通流面积变化对阀门流通特性的影响，分别选择半径r为2 cm、3 cm 和4 cm的圆形通流结构进行仿真。

图4、图5 分别为不同通流面积阀笼的压强云图和速度云图。随着阀笼流通面积的增大，调节阀入口的压强明显减小。随着调节阀阀笼通流面积的增大，调节阀进出口压强差逐渐减小。当r=2 cm 时，阀笼进出口压差较大；当r=3 cm 时，阀笼进出口压差较小；当r=4 cm 时，阀笼进出口压差进一步减小。

图4 不同通流面积的流场压强云图

图5 不同通流面积的流场速度云图

图6、图7 分别为调节阀阀笼位置剖面的压强云图和速度云图。调节阀的流体经阀笼流出，流经阀笼前后会产生明显的压差，整个调节阀的压降主要集中在阀笼位置。随着流通面积的增大，阀笼前后的流体阻力随之减小，流体对阀笼的冲击也逐渐减小，减轻了流体对阀笼的冲击和磨损[9]。

图6 不同通流面积阀笼剖面的流场压强云图

图7 不同通流面积阀笼剖面的流场速度云图

为方便对比不同半径阀笼的流通特性，绘制出流通面积对阀门进出口压差影响的折线图，如图8 所示。随着流通面积的增大，阀门进出口的压差明显减小，由1 772.25 Pa 降低为79.94 Pa。由此可以看出，增大阀笼的流通面积，阀门间的压差可成倍减小，阀笼对管道流体的阻碍作用会显著下降。图9 为通流面积变化对阀门流量的影响，随着流通面积的增大，调节阀的流量基本保持不变。

图8 通流面积变化对阀门进出口压差的影响

图9 通流面积变化对阀门流量的影响

4 阀笼通流形状对阀门性能影响分析

为进一步探讨阀笼形状对阀门流动特性的影响，选择相同流通面积、不同通流形状的阀笼进行仿真分析。图10、图11 分别为不同流通形状阀笼的压强云图和速度云图，图12、图13 分别为不同通流形状阀笼的剖面的流场压强云图和速度云图。阀笼的流通形状无论是圆形、正方形还是正六边形，阀门前后的压降都主要集中在阀笼处。通过改变阀笼的流通形状，可以改变阀门前后的压差。随着流通形状的边数增多，阀门前后的压差逐渐变小。通流形状为圆形的阀笼前后压差最大，通流形状为正方形和正六边形的阀笼的前后压差接近，通流形状为正六边形的阀笼最小。在保持通流面积不变的情况下，采用通流形状为多边形的阀笼，有助于减小阀门前后的压差，减少流体对阀笼的冲击。

图10 不同通流形状阀笼的流场压强云图

图11 不同通流形状阀笼的流场速度云图

图12 不同通流形状阀笼剖面的流场压强云图

图13 不同通流形状阀笼剖面的流场速度云图

为了方便对比不同形状阀笼的流通特性，绘制出形状变化对阀门的影响折线图，如图14 所示。随着通流形状边数的增多，阀门前后的压差逐渐减小，流体对阀笼的冲击也逐渐减小，说明多边形通流形状的阀笼有助于减少阀门前后的压差损[10]。通流形状变化对阀门流量的影响如图15 所示。由图15 可知，流通面积保持不变，改变流通形状，阀门流量无明显变化或跳跃波动，依然保持稳定，说明阀笼通流形状的变化对阀门流量影响较小。

图15 通流形状变化对阀门流量的影响

5 结语

阀笼对调节阀的流体调节性能具有显著影响，增大阀笼处的流通面积有助于减小阀门前后的压差，减少阀门上的节流损失。在保持流通面积不变的前提下，采用多边形结构的阀笼有助于减小阀门前后的压差，减轻流体对阀笼的冲击与磨损。