基于CFD的V型孔板調節(jié)球閥數值模擬研究

彭龑，宗亮宇，李淇陽

（四川理工學院 機械工程學院，四川 自貢 643000）

0 引言

現代工業(yè)設計中工程師主要采用現場試驗研究和數值模擬方法兩者相結合以實現互補，工程師通過現場試驗方法獲取阻力、壓力降和功率等影響設計的參數。但在研發(fā)的過程中若完全采用現場試驗方法來獲得流量等數據，那將需投入大量的研發(fā)資金，并且延長了產品研發(fā)周期，不利于快速響應市場需求［1］。國內對調節(jié)閥內部空化及汽蝕問題數值模擬研究處于空白階段，現場試驗也剛參考國外標準開始實施，但是實際上大型閥門企業(yè)幾乎都忽視空化問題的研究，對核工業(yè)等特殊領域遇到的特殊工況問題甚至選擇逃避，一般只以定期維護更換閥門裝置來獲取系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠性。但問題實際上仍然存在。

在設計涉及流場時應用CFD 數值模擬技術［2］，具有比現場試驗法更好的經濟效益，借助CFD 軟件工具可以大大減少現場試驗的次數，同時在最終設計定型時條件允許也可采用現場試驗方式來驗證最終的設計結果，降低了研發(fā)設計成本，縮短了產品設計周期，快速響應市場需求，對提高閥門產品的設計水平和產品的經濟效益具有十分重要的意義。

1 調節(jié)閥孔板計算模型

調節(jié)閥的調節(jié)原理與流量測量的孔板相似，都具有局部阻力的特性。調節(jié)閥借助閥芯的往復運動來改變其節(jié)流條件。因此，可以說調節(jié)閥是一個可變的節(jié)流元件；而其中所含孔板僅僅只是固定孔徑比的調節(jié)流量的元件。所以，我們將調節(jié)閥模擬成孔板的節(jié)流形式［3］，所建立的模型如圖1、圖2。

圖1 調節(jié)閥孔板計算模型

我們在試驗管道的上游1 倍管徑處測得上游絕對靜壓力P1，下游0.5 倍管徑測得下游絕對靜壓力P2，運行FloEFD 軟件進行流場的數值模擬分析主要步驟如圖3。

圖2 調節(jié)閥孔板模型

圖3 數值模擬分析步驟

2 標準孔板的模擬結果及其分析

2.1 孔板模擬數值參數

根據調節(jié)閥關于流量試驗裝置中關于試驗段的尺寸規(guī)范，我們采用β=0.15孔徑比模型的試驗數據，來驗證孔板試驗的正確性。孔板尺寸和數值模擬的相關參數有：孔板安裝管道的內直徑尺寸D=100 mm，孔板內直徑尺寸d=15 mm，E=4 mm，e=2 mm，α=0.267。

2.2 計算結果

2.2.1 孔徑比相同，雷諾數不同的壓力分布圖

通過對孔徑比相同，而雷諾數不同的模擬分析，我們可以得到的標準孔板模型在不同邊界雷諾數下的特征線上壓力分布圖，見圖4。

圖4 標準孔板在不同雷諾數下壓力分布圖

從圖中我們發(fā)現雷諾數越大，壓差就越小。當流體流經孔板的孔口時，壓力值會急速下降，流到下游時，壓力值會更低，會產生一定的空化現象。所以我們得出，當孔徑比β=0.15 時邊界雷諾數越大，產生壓差越大，空化數越小，從而液體空化程度越大，即空化現象越強烈。

2.2.2 雷諾數相同，孔徑比不同的壓力分布圖

分別取標準孔板的三種模型，即β=0.1，0.2，0.3，在相同雷諾數為10 000 時的壓力和速度矢量分布圖，見圖5。通過分析計算我們得到，當β=0.1 時壓差ΔP為23 525 Pa，β=0.2 時壓差為1 645 Pa，β=0.3 時壓差ΔP為418 Pa。β=0.2 時比β=0.3 時的阻力大，由此可知，孔徑比越大所受的阻力就越小，也越不容易發(fā)生空化現象，反之則容易發(fā)生空化現象。

圖5 在不同孔徑比下的壓力分布和速度矢量圖

圖6 不同角度不同流量特性的開口孔板

3 V 型開口孔板的調節(jié)球閥的數值模擬及分析

3.1 模擬參數的設定

為了實現對標準調節(jié)球閥簡化模型實現線性控制和空化控制，我們采用DN50 加裝有不同流量特性的V 型開口孔板的調節(jié)球閥。如圖6 所示為3 組不同角度不同流量特性的開口孔板。

3.2 模擬計算結果

3.2.1 同一雷諾數下不同開度的流量特性

根據模擬研究我們發(fā)現，不同角度V 型開口孔板調節(jié)球閥在同一雷諾數和開度下的流量特性和流量系數的變化趨勢，開度越大，流量系數也會越大。我們由圖7 也可以發(fā)現，90°V 型開口孔板的球閥比30°V 型開口孔板的球閥在同一開度下，過流面積增大，從而流量系數也增大。

圖7 不同開度與流量系數的關系

3.2.2 同一雷諾數下不同開度的空化特性

圖8 不同開度與空化數的關系

3.2.3 不同V 型開口的云圖和矢量分布

圖9 不同角度V 型開口和不同開度下壓力和速度矢圖

由圖9 可知，我們發(fā)現V 型開口孔板的角度越小，在相同的開度下，下游部位縮流處流速越快，而壓力越小，此時越容易發(fā)生空化現象和振動噪聲的產生。從圖9 可以觀測并分析出在開口角度為60°時V 型孔板球閥所示云圖和矢量分布比較均勻且湍流較為平緩，壓差也較小，其抗空化的性能較好，且具有較好的流量特性。不會存在30°開口下發(fā)生的空化現象。

4 結論

（1）通過對FloEFD 軟件的數值模擬的后處理結果如壓力矢量云圖可以得到，無邊是孔徑比β=0.15，還是β=0.1，0.2，0.3 等都可以精確地控制流量，并且處于一定孔徑比和要求流量下，可以借助孔板來調節(jié)流量，這種思路結合調節(jié)型球閥的流通特性，能夠設計出具有線性流通特性的孔板閥，而且能夠達到控制空化和流量的精確控制的目的。

（2）分析可以預判在30°孔板下存在空化現象且較為嚴重。但對于空化問題的控制在60°時流量線性控制，并且其空化數并未處于30°下的低空化數下，分析表明抗空化性能較佳。

［1］李淇陽.基于CFD 技術的調節(jié)閥流通性能及其內部空化流的研究［D］.自貢：四川理工學院，2013.

［2］張師帥.計算流體動力學及其應用：CFD 軟件的原理與應用［M］.武漢：華中科技大學出版社，2011：453.

［3］Grogger H A，Alajbegovic A.Calculation of the cavitating flow in venturi geometries using two fluid model［C］//Proceeding of ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting,Washington，D.C.，1998.