新型壓力調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬

魏丹，宋花平，趙軍

（1 北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2 中國(guó)人民解放軍總后勤部油料研究所，北京 102300）

目前國(guó)內(nèi)已基本形成以干線為主的成品油管網(wǎng)，當(dāng)要對(duì)局部區(qū)域臨時(shí)供油時(shí)，一般采用裝配式輸油管線[1]從主干線導(dǎo)出油料。

成品油管線為適應(yīng)長(zhǎng)距離輸送，內(nèi)壓一般在10MPa 以上，而便于轉(zhuǎn)運(yùn)和安裝的裝配式輸油管線則采用輕量化設(shè)計(jì)，其最高工作壓力一般都在6MPa 以下，所以油料導(dǎo)出時(shí)需要進(jìn)行壓力轉(zhuǎn)換。

根據(jù)大壓差和大流量的工作特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新型套筒式壓力調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)管線間壓差。供油時(shí)，成品油管線中的高壓油料經(jīng)過(guò)套筒式壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行節(jié)流后，油料的壓力降低。為了增強(qiáng)對(duì)接裝置對(duì)野外工作條件的適應(yīng)性，采用人工確定閥門開度和自力式穩(wěn)流調(diào)節(jié)的技術(shù)路線，最終確保閥后流入裝配式輸油管線的壓力降到安全工作允許值以下。

為了確定這種新型壓力調(diào)節(jié)閥在工作時(shí)的安全可靠性，本文采用CFD 方法[2]對(duì)這種新型壓力調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場(chǎng)情況及流量特性進(jìn)行分析，也為以后的深入研究及性能優(yōu)化奠定基礎(chǔ)，提供理論依據(jù)[3—10]。

1 套筒式壓力調(diào)節(jié)閥三維計(jì)算模型

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

閥內(nèi)有兩級(jí)節(jié)流套筒，公稱通徑為150mm，進(jìn)出口總長(zhǎng)為560mm，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。流體先進(jìn)入高壓腔，經(jīng)套筒節(jié)流孔一次減壓后流入下腔，再經(jīng)閥座孔二次減壓后流入閥底從出口流出，工作原理如圖2 所示。當(dāng)有壓力波動(dòng)時(shí)，碟簧可起到穩(wěn)定壓力、流量的作用，節(jié)流孔的形狀如圖3 所示。調(diào)節(jié)閥芯的高度可改變套筒過(guò)流面積，從而調(diào)節(jié)流體通量。

圖1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 調(diào)節(jié)閥工作原理示意圖

圖3 節(jié)流孔形狀示意圖

1.2 三維流道模型的建立

根據(jù)實(shí)際尺寸及裝配關(guān)系，利用SolidWorks 軟件建立起流通區(qū)域三維立體模型。為防止回流并使進(jìn)出口處流動(dòng)盡可能穩(wěn)定，將閥進(jìn)出口通道延長(zhǎng)為管道直徑5 倍左右。

為模擬不同工況，建立了各種開度的閥口流道模型，100%開度流道模型如圖4 所示。

1.3 網(wǎng)格剖分

將三維幾何實(shí)體導(dǎo)入到ANSYS ICEM 中進(jìn)行計(jì)算前處理的網(wǎng)格劃分ICEM，因閥內(nèi)部流道幾何形狀復(fù)雜，故采用四面體單元結(jié)構(gòu)化處理，并在節(jié)流孔及閥座孔處進(jìn)行局部加密，以提高計(jì)算精度。

劃分后網(wǎng)格數(shù)為51 萬(wàn)個(gè)左右，網(wǎng)格質(zhì)量均大于0.3，可滿足計(jì)算需要。對(duì)不同開度流道模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即可得到相應(yīng)網(wǎng)格文件，其中100%開度下流道網(wǎng)格如圖5 所示。

圖4 開度100%流道模型示意圖

圖5 調(diào)節(jié)閥100%開度流道網(wǎng)格示意圖

1.4 求解

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入到FLUENT 中，采用3D 雙精度求解器、基于壓力、穩(wěn)態(tài)隱式求解方程及求解模型，計(jì)算得出Re=46267，屬中等紊流狀態(tài)，應(yīng)選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，邊界參數(shù)如表1 所示。流通介質(zhì)為水，計(jì)算參數(shù)如表2 所示。初始化流場(chǎng)，設(shè)定收斂參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，迭代經(jīng)1000 多步即可收斂。

表1 邊界參數(shù)表

表2 流通介質(zhì)參數(shù)表

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 流動(dòng)分析

渦流對(duì)流動(dòng)損失有重要影響，其位置和狀態(tài)直接關(guān)系到節(jié)流降壓效果，不同開度下的速度矢量分布如圖6 所示。

流體在入口處以3.14m/s 均勻流動(dòng)，進(jìn)入高壓腔后流通面積突然增大，流動(dòng)開始發(fā)散形成渦漩，并在高壓腔上部出現(xiàn)淤積死區(qū)。

流體經(jīng)過(guò)高壓腔套筒節(jié)流孔后，流通面積急劇減小，流速增大發(fā)生紊流。隨著套筒開度的減小，節(jié)流孔處的流速依次增至31.62m/s、39.05m/s、44.05m/s 及47.17m/s，較入口流速大十幾倍。在進(jìn)入下腔閥座孔時(shí)流向改變，使得紊流增強(qiáng)。

在流過(guò)閥座孔后，流通面積突然擴(kuò)大，流向再次改變，流動(dòng)發(fā)散并產(chǎn)生渦漩，從而造成出口處流量不均，且有回流產(chǎn)生。

在關(guān)閉調(diào)節(jié)閥過(guò)程中，套筒節(jié)流孔面積隨之縮減，流通截面亦縮小，流體通過(guò)節(jié)流孔及閥座孔后紊流逐漸增強(qiáng)，渦漩強(qiáng)度更加顯著，從而提高了出口處流量的不均勻程度。

2.2 壓力分析

壓力調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)壓力分布直接關(guān)系到減壓效果，不同開度下對(duì)稱面上流場(chǎng)壓力分布如圖7 所示。

圖6 不同開度流速矢量分布圖

進(jìn)出口等徑段壓力變化比較平緩，高壓腔內(nèi)壓力即入口壓力為10MPa，當(dāng)進(jìn)入套筒節(jié)流孔時(shí)面積突然減小，根據(jù)孔板減壓效應(yīng)，渦漩劇烈紊動(dòng)會(huì)損耗部分能量，從而使流體壓力降低。且隨著套筒開度的減小，節(jié)流孔處壓力降依次為3MPa、3.2MPa、3.5MPa 及4MPa。

圖7 不同開度流場(chǎng)壓力分布云圖

由下腔通過(guò)閥座孔流向出口時(shí)，由于流通面積減小及流向改變，紊亂加強(qiáng)，能量損耗增加，壓力進(jìn)一步降低，隨著開度的減小，二次減壓值依次為1MPa、0.8MPa、0.5MPa 和0，最終保證出口處壓力保持在裝配式輸油管線許用范圍之內(nèi)。

隨調(diào)節(jié)閥開度逐漸減小，套筒節(jié)流孔處壓降逐漸增大，總體壓降中一次減壓比例漸增。開度為10%時(shí)，4MPa 壓降基本全發(fā)生在節(jié)流孔處，二次減壓閥座孔處減壓幾乎不起減壓作用。

2.3 流量特性分析

調(diào)節(jié)閥流量特性中流體介質(zhì)與閥體部件結(jié)構(gòu)之間函數(shù)關(guān)系如式（1）所示。

式中，Q/Qmax為相對(duì)流量，是指壓力調(diào)節(jié)閥某一開度時(shí)流量Q（m3/s）與全開時(shí)的流量Qmax（m3/s）之比；l/L 為相對(duì)位移，是指壓力調(diào)節(jié)閥在某一開度時(shí)的閥芯位移l（mm）與全開位移L（mm）之比。

流體的流量特性大致分為4 種：直線型、等百分比型、修正等百分比型及快開型[11-12]。

通過(guò)CFD 計(jì)算可以得到調(diào)節(jié)閥的特性參數(shù)，從中選出10 個(gè)不同開度下壓力調(diào)節(jié)閥流量計(jì)算數(shù)據(jù)如表3 所示。

壓力調(diào)節(jié)閥模擬計(jì)算流量特性曲線如圖8 所示。由圖8 可以看出，出口壓降不變，隨著調(diào)節(jié)閥開度的增加，流量也隨之增加，壓力調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線變化趨勢(shì)接近快開型。

表3 壓力調(diào)節(jié)閥流量計(jì)算數(shù)據(jù)表

圖8 壓力調(diào)節(jié)閥模擬計(jì)算流量特性曲線

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

在某試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)該壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行模擬試驗(yàn)，測(cè)得該閥在100%開度下的試驗(yàn)流量為0.0614m3/s。試驗(yàn)所得流量與模擬計(jì)算所得流量誤差為11.5%。由于模擬計(jì)算時(shí)以光滑壁面處理，忽略了壁面摩擦阻力，故導(dǎo)致模擬計(jì)算流量高于試驗(yàn)流量，從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，說(shuō)明了數(shù)值模擬結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。

3 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)新型套筒式壓力調(diào)節(jié)閥不同開度下的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行CFD 數(shù)值模擬仿真，得到其內(nèi)部流場(chǎng)壓力、速度矢量分布的可視化結(jié)果，并分析得出調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線，分析結(jié)果表明。

（1）流體在閥內(nèi)流動(dòng)時(shí)，由于流通面積不斷變化，產(chǎn)生流動(dòng)渦漩，影響出口流量均勻性，隨著開度減小，渦旋增大，流量不均勻性更顯著。

（2）套筒處流通面積突然收縮導(dǎo)致節(jié)流壓降，開度與節(jié)流效果呈反比，同壓降下，流量也相應(yīng)減小。

（3）閥阻比為0.4 工況下，調(diào)節(jié)閥模擬計(jì)算得出流量特性為近似快開型。

（4）在保證閥兩端壓差情況下，全開度試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)。

數(shù)值模擬的結(jié)果驗(yàn)證了這種壓力調(diào)節(jié)閥工作的可靠性以及計(jì)算模型及此采用方法的可行性。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，數(shù)值模擬的精度是可以信賴的，這也為日后該新型壓力調(diào)節(jié)閥的流道設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析提供了數(shù)值依據(jù)。

[1] 陳涵，宋花平，趙軍.裝配式輸油管道懸索跨越結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2013（11）：107-110.

[2] 李鵬飛，徐敏義，王飛飛. 精通CFD 工程仿真與案例實(shí)戰(zhàn)[M]. 北京：人民郵電出版社，2011.

[3] Yang Qin，Zhang Zhiguo，Liu Mingyue，et al.Numerical simulation of fluid flow inside the valve[J]. Procedia Engineering，2011，23：543-550.

[4] Lisowski E，Rajda J. CFD analysis of pressure loss during flow by hydraulic directional control valve constructed from logic valves[J].Energy Conversion and Management，2013，65：285-291.

[5] Zhao Changqing，Liu Kai，Zhao Tong. Study and characteristic analysis on the valve of positive pulse measurement while drilling[C]//International Conference on Mechanical Design ，Magufacture and Automation Engineering，2014：5-10.

[6] Chattopadhyay Himadri，Kundu Arindam，Saha Binod K，et al.Analysis of flow structure inside a spool type pressure regulating valve[J].Energy Conversion and Management，2012，53：196-204.

[7] 王燕，徐曉剛，胡建，等. 多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)數(shù)值模擬與流量特性研究[J]. 石油化工自動(dòng)化，2013，49（1）：50-53.

[8] 樊達(dá)宜，欒秀春. 基于FLUENT 的節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，28（5）：587-590.

[9] Yu Jue，Zhuang Jian，Yu Dehong.Modeling and analysis of a rotary direct drive servovalve[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2014，27：1064-1074.

[10] 潘永成，王勇，謝玉東. 基于CFD 的調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)特性研究[J]. 機(jī)床與液壓，2011，39（1）：5-7.

[11] 張雙清，尹玉杰，明賜東. 閥門手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[12] 車淵博，李春，高坤，等. 調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 能源研究與信息，2010，26（3）：173-178.