供氣調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場數(shù)值模擬研究

邱宏軍

摘 要：文章以過熱蒸汽為介質(zhì)，利用FLUENT軟件對供氣調(diào)節(jié)閥進行數(shù)值模擬分析，驗證了調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬的可行性。通過數(shù)值模擬獲得了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場、壓力場并進行了分析。研究成果對揭示調(diào)節(jié)閥內(nèi)部場分布規(guī)律，改進調(diào)節(jié)閥性能具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：供氣調(diào)節(jié)閥；數(shù)值模擬；流場；壓力場

引言

調(diào)節(jié)閥是過程工業(yè)中的終端控制元件，能夠完成對流量等參數(shù)的控制。隨著調(diào)節(jié)閥技術(shù)的不斷發(fā)展與自動化程度的不斷提高，調(diào)節(jié)閥已越來越廣泛的應(yīng)用于不同的工業(yè)部門。考慮到調(diào)節(jié)閥在整個控制系統(tǒng)中的重要地位，對調(diào)節(jié)閥進行詳盡的分析和性能上的改進，對于整個系統(tǒng)性能的提高具有十分重要的意義[1]。

1 調(diào)節(jié)閥的工作原理與理論流量及流量系數(shù)計算方程

調(diào)節(jié)閥是一種節(jié)流元件，可以改變通過閥門的流體的流動阻力。可根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)傳來的控制信號，通過改變調(diào)節(jié)閥芯的行程來改變閥芯與閥座之間的節(jié)流面積，繼而通過改變閥門的阻力系數(shù)，來改變通過調(diào)節(jié)閥的流量。對于閥門內(nèi)流動的流體，可用流體力學(xué)方程來描述，伯努利方程可用來描述流動流體機械能的轉(zhuǎn)換關(guān)系，應(yīng)用實際工況下的流體伯努利方程式，可導(dǎo)出流體流過調(diào)節(jié)閥的流量公式。相關(guān)計算公式如下。

流量系數(shù)為流體流經(jīng)閥門產(chǎn)生單位壓力損失時流體的流量，是衡量閥門流通能力的重要指標[2]。當各量取國際單位制時，流量系數(shù)可用下式表示。

2 幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分

本文研究的為某類型供氣調(diào)節(jié)閥，其結(jié)構(gòu)見圖1，由結(jié)構(gòu)圖以及閥門型號得其各項參數(shù)為：公稱壓力為2.5MPa，公稱通徑為45mm，總長為252mm，流體從左端流入，右端流出，通過調(diào)節(jié)閥芯的高度，可以改變流通截面積，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。

2.1 流道模型的建立

文章利用FLUENT前處理器GAMBIT三維建模軟件，根據(jù)流道的幾何尺寸與閥芯的位置，對流體的通道進行三維建模，而且針對不同的開度進行建模。調(diào)節(jié)閥全開度的幾何實體模型如圖2。

2.2 網(wǎng)格劃分

調(diào)節(jié)閥全開度時化分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，化分閥芯頂端加密網(wǎng)格，整個流道網(wǎng)格數(shù)為442211個，并進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗。對不同開度下的流道模型進行同樣的網(wǎng)格劃分操作，就可以得到不同開度下的網(wǎng)格文件。

3 求解設(shè)置與邊界條件

3.1 求解設(shè)置

在GAMBIT劃分的計算域網(wǎng)格讀入FLUENT求解器中，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確保在沒有負體積網(wǎng)格出現(xiàn)，再進行求解計算。選擇穩(wěn)態(tài)流動，分離式解法，隱式的全場迭代解法。由于計算域結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，流動比較復(fù)雜，并且流體為不可壓粘性流體，所以選用適合于工程問題的標準？資-？著湍流模型[3]。對閥門中的工質(zhì)為過熱蒸汽的條件進行了數(shù)值模擬研究。

3.2 邊界條件

進口設(shè)置為壓力進口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。閥門內(nèi)工質(zhì)進口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa的條件下進行流場的模擬。

4 流場分析

數(shù)值模擬采用的邊界條件為壓力進口與壓力出口邊界條件，進口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa，保持進出口的壓力不變。對全開度工況進行數(shù)值模擬。

該調(diào)節(jié)閥工質(zhì)為過熱蒸汽（參數(shù)為進口壓力1.2MPa，出口壓力0.7MPa，溫度為285℃）時，流開型流向壓力與速度分布云圖如圖3、圖4所示。

由以上分析可知，工質(zhì)為過熱蒸汽時流開型流場的壓力速度在閥門進口處幾乎不變，流經(jīng)閥門后降低，壓力中腔及出口支管處大小呈現(xiàn)均勻分布，最低處在閥門出口支管；流速最高的區(qū)域為閥瓣與閥體座之間的區(qū)域，出口流道內(nèi)的流速分布不均勻，容易產(chǎn)生渦流。

5 結(jié)束語

通過對閥門流量系數(shù)數(shù)值模擬分析計算，得到了用CFD軟件所得到了工質(zhì)為過熱蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時的閥體內(nèi)部壓力與速度場的云圖，說明CFD軟件適合用來模擬閥門內(nèi)部流場。

參考文獻

[1]李斌.基于CFD的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[2]陸培文.實用閥門設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：123.

[3]Harlow F H，Welch J E.Numrical calculation of time dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface. The Physicsoffluids， 1965， 8（2182-2189）.endprint

摘 要：文章以過熱蒸汽為介質(zhì)，利用FLUENT軟件對供氣調(diào)節(jié)閥進行數(shù)值模擬分析，驗證了調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬的可行性。通過數(shù)值模擬獲得了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場、壓力場并進行了分析。研究成果對揭示調(diào)節(jié)閥內(nèi)部場分布規(guī)律，改進調(diào)節(jié)閥性能具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：供氣調(diào)節(jié)閥；數(shù)值模擬；流場；壓力場

引言

調(diào)節(jié)閥是過程工業(yè)中的終端控制元件，能夠完成對流量等參數(shù)的控制。隨著調(diào)節(jié)閥技術(shù)的不斷發(fā)展與自動化程度的不斷提高，調(diào)節(jié)閥已越來越廣泛的應(yīng)用于不同的工業(yè)部門。考慮到調(diào)節(jié)閥在整個控制系統(tǒng)中的重要地位，對調(diào)節(jié)閥進行詳盡的分析和性能上的改進，對于整個系統(tǒng)性能的提高具有十分重要的意義[1]。

1 調(diào)節(jié)閥的工作原理與理論流量及流量系數(shù)計算方程

調(diào)節(jié)閥是一種節(jié)流元件，可以改變通過閥門的流體的流動阻力。可根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)傳來的控制信號，通過改變調(diào)節(jié)閥芯的行程來改變閥芯與閥座之間的節(jié)流面積，繼而通過改變閥門的阻力系數(shù)，來改變通過調(diào)節(jié)閥的流量。對于閥門內(nèi)流動的流體，可用流體力學(xué)方程來描述，伯努利方程可用來描述流動流體機械能的轉(zhuǎn)換關(guān)系，應(yīng)用實際工況下的流體伯努利方程式，可導(dǎo)出流體流過調(diào)節(jié)閥的流量公式。相關(guān)計算公式如下。

流量系數(shù)為流體流經(jīng)閥門產(chǎn)生單位壓力損失時流體的流量，是衡量閥門流通能力的重要指標[2]。當各量取國際單位制時，流量系數(shù)可用下式表示。

2 幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分

本文研究的為某類型供氣調(diào)節(jié)閥，其結(jié)構(gòu)見圖1，由結(jié)構(gòu)圖以及閥門型號得其各項參數(shù)為：公稱壓力為2.5MPa，公稱通徑為45mm，總長為252mm，流體從左端流入，右端流出，通過調(diào)節(jié)閥芯的高度，可以改變流通截面積，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。

2.1 流道模型的建立

文章利用FLUENT前處理器GAMBIT三維建模軟件，根據(jù)流道的幾何尺寸與閥芯的位置，對流體的通道進行三維建模，而且針對不同的開度進行建模。調(diào)節(jié)閥全開度的幾何實體模型如圖2。

2.2 網(wǎng)格劃分

調(diào)節(jié)閥全開度時化分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，化分閥芯頂端加密網(wǎng)格，整個流道網(wǎng)格數(shù)為442211個，并進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗。對不同開度下的流道模型進行同樣的網(wǎng)格劃分操作，就可以得到不同開度下的網(wǎng)格文件。

3 求解設(shè)置與邊界條件

3.1 求解設(shè)置

在GAMBIT劃分的計算域網(wǎng)格讀入FLUENT求解器中，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確保在沒有負體積網(wǎng)格出現(xiàn)，再進行求解計算。選擇穩(wěn)態(tài)流動，分離式解法，隱式的全場迭代解法。由于計算域結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，流動比較復(fù)雜，并且流體為不可壓粘性流體，所以選用適合于工程問題的標準？資-？著湍流模型[3]。對閥門中的工質(zhì)為過熱蒸汽的條件進行了數(shù)值模擬研究。

3.2 邊界條件

進口設(shè)置為壓力進口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。閥門內(nèi)工質(zhì)進口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa的條件下進行流場的模擬。

4 流場分析

數(shù)值模擬采用的邊界條件為壓力進口與壓力出口邊界條件，進口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa，保持進出口的壓力不變。對全開度工況進行數(shù)值模擬。

該調(diào)節(jié)閥工質(zhì)為過熱蒸汽（參數(shù)為進口壓力1.2MPa，出口壓力0.7MPa，溫度為285℃）時，流開型流向壓力與速度分布云圖如圖3、圖4所示。

由以上分析可知，工質(zhì)為過熱蒸汽時流開型流場的壓力速度在閥門進口處幾乎不變，流經(jīng)閥門后降低，壓力中腔及出口支管處大小呈現(xiàn)均勻分布，最低處在閥門出口支管；流速最高的區(qū)域為閥瓣與閥體座之間的區(qū)域，出口流道內(nèi)的流速分布不均勻，容易產(chǎn)生渦流。

5 結(jié)束語

通過對閥門流量系數(shù)數(shù)值模擬分析計算，得到了用CFD軟件所得到了工質(zhì)為過熱蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時的閥體內(nèi)部壓力與速度場的云圖，說明CFD軟件適合用來模擬閥門內(nèi)部流場。

參考文獻

[1]李斌.基于CFD的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[2]陸培文.實用閥門設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：123.

[3]Harlow F H，Welch J E.Numrical calculation of time dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface. The Physicsoffluids， 1965， 8（2182-2189）.endprint

摘 要：文章以過熱蒸汽為介質(zhì)，利用FLUENT軟件對供氣調(diào)節(jié)閥進行數(shù)值模擬分析，驗證了調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬的可行性。通過數(shù)值模擬獲得了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場、壓力場并進行了分析。研究成果對揭示調(diào)節(jié)閥內(nèi)部場分布規(guī)律，改進調(diào)節(jié)閥性能具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：供氣調(diào)節(jié)閥；數(shù)值模擬；流場；壓力場

引言

調(diào)節(jié)閥是過程工業(yè)中的終端控制元件，能夠完成對流量等參數(shù)的控制。隨著調(diào)節(jié)閥技術(shù)的不斷發(fā)展與自動化程度的不斷提高，調(diào)節(jié)閥已越來越廣泛的應(yīng)用于不同的工業(yè)部門。考慮到調(diào)節(jié)閥在整個控制系統(tǒng)中的重要地位，對調(diào)節(jié)閥進行詳盡的分析和性能上的改進，對于整個系統(tǒng)性能的提高具有十分重要的意義[1]。

1 調(diào)節(jié)閥的工作原理與理論流量及流量系數(shù)計算方程

調(diào)節(jié)閥是一種節(jié)流元件，可以改變通過閥門的流體的流動阻力。可根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)傳來的控制信號，通過改變調(diào)節(jié)閥芯的行程來改變閥芯與閥座之間的節(jié)流面積，繼而通過改變閥門的阻力系數(shù)，來改變通過調(diào)節(jié)閥的流量。對于閥門內(nèi)流動的流體，可用流體力學(xué)方程來描述，伯努利方程可用來描述流動流體機械能的轉(zhuǎn)換關(guān)系，應(yīng)用實際工況下的流體伯努利方程式，可導(dǎo)出流體流過調(diào)節(jié)閥的流量公式。相關(guān)計算公式如下。

流量系數(shù)為流體流經(jīng)閥門產(chǎn)生單位壓力損失時流體的流量，是衡量閥門流通能力的重要指標[2]。當各量取國際單位制時，流量系數(shù)可用下式表示。

2 幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分

本文研究的為某類型供氣調(diào)節(jié)閥，其結(jié)構(gòu)見圖1，由結(jié)構(gòu)圖以及閥門型號得其各項參數(shù)為：公稱壓力為2.5MPa，公稱通徑為45mm，總長為252mm，流體從左端流入，右端流出，通過調(diào)節(jié)閥芯的高度，可以改變流通截面積，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。

2.1 流道模型的建立

文章利用FLUENT前處理器GAMBIT三維建模軟件，根據(jù)流道的幾何尺寸與閥芯的位置，對流體的通道進行三維建模，而且針對不同的開度進行建模。調(diào)節(jié)閥全開度的幾何實體模型如圖2。

2.2 網(wǎng)格劃分

調(diào)節(jié)閥全開度時化分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，化分閥芯頂端加密網(wǎng)格，整個流道網(wǎng)格數(shù)為442211個，并進行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗。對不同開度下的流道模型進行同樣的網(wǎng)格劃分操作，就可以得到不同開度下的網(wǎng)格文件。

3 求解設(shè)置與邊界條件

3.1 求解設(shè)置

在GAMBIT劃分的計算域網(wǎng)格讀入FLUENT求解器中，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確保在沒有負體積網(wǎng)格出現(xiàn)，再進行求解計算。選擇穩(wěn)態(tài)流動，分離式解法，隱式的全場迭代解法。由于計算域結(jié)構(gòu)相對較復(fù)雜，流動比較復(fù)雜，并且流體為不可壓粘性流體，所以選用適合于工程問題的標準？資-？著湍流模型[3]。對閥門中的工質(zhì)為過熱蒸汽的條件進行了數(shù)值模擬研究。

3.2 邊界條件

進口設(shè)置為壓力進口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。閥門內(nèi)工質(zhì)進口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa的條件下進行流場的模擬。

4 流場分析

數(shù)值模擬采用的邊界條件為壓力進口與壓力出口邊界條件，進口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa，保持進出口的壓力不變。對全開度工況進行數(shù)值模擬。

該調(diào)節(jié)閥工質(zhì)為過熱蒸汽（參數(shù)為進口壓力1.2MPa，出口壓力0.7MPa，溫度為285℃）時，流開型流向壓力與速度分布云圖如圖3、圖4所示。

由以上分析可知，工質(zhì)為過熱蒸汽時流開型流場的壓力速度在閥門進口處幾乎不變，流經(jīng)閥門后降低，壓力中腔及出口支管處大小呈現(xiàn)均勻分布，最低處在閥門出口支管；流速最高的區(qū)域為閥瓣與閥體座之間的區(qū)域，出口流道內(nèi)的流速分布不均勻，容易產(chǎn)生渦流。

5 結(jié)束語

通過對閥門流量系數(shù)數(shù)值模擬分析計算，得到了用CFD軟件所得到了工質(zhì)為過熱蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時的閥體內(nèi)部壓力與速度場的云圖，說明CFD軟件適合用來模擬閥門內(nèi)部流場。

參考文獻

[1]李斌.基于CFD的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[2]陸培文.實用閥門設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：123.

[3]Harlow F H，Welch J E.Numrical calculation of time dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface. The Physicsoffluids， 1965， 8（2182-2189）.endprint