基于CFD技術的節流閥流量特性的數值模擬分析

李輝

（科倍隆機械設備系統（上海）有限公司，上海201619）

0 引言

節流閥是通過改變通路截面積或節流長度以控制流體流量的閥門［1-2］。節流閥是結構最簡單、應用廣泛的流量控制閥,具有價格低廉、調節方便的優點。由于節流閥的流量不僅取決于節流口面積的大小，還與節流口前后的壓差有關，因此在選擇節流口流量的工藝參數方面，節流閥的流量特性是一個很重要的指標。獲取節流閥的流量特性，往往需要通過一系列的實驗方法獲得，不僅需要較長時間的實驗確定，而且需要昂貴的實驗裝置和實驗成本。為了能夠快速獲得節流閥的流量特性參數，這里提出了采用CFD數值模擬實驗的方法來獲取節流閥的相關流量特性。

圖1 節流閥外形圖

隨著計算流體力學（CFD）的可靠性不斷提高［3-4］，CFD 軟件在研究流體機械的流場問題領域中得到了廣泛的應用。本文采用CFD技術對節流閥的的內部流場進行數值模擬，借助于SolidWorks Flow Simulation模塊對節流閥的內部結構進行數值模擬實 驗［5］，從 而 得 到節流閥的流量特性參數，來指導節流閥產品的選型和設計。

圖2 節流閥結構圖

1 結構模型

節流閥的結構模型采用SolidWorks來建立，規格為3＂-3000Psi，如圖1所示，其內部節流結構主要是由節流針式閥芯和閥座構成，如圖2所示。

1.1 控制方程組

過濾器內流動屬于湍流，流體屬于黏性不可壓縮流體，滿足納維葉-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，黏性系數為一常數的形式，即：

Navier-Stokes方程比較準確地描述了實際的流動，黏性流體的流動分析均可歸結為對此方程的研究。

1.2 湍流模型

采用標準k-ε湍流模型，該模型的控制方程組可寫為：

式中：Gk為由于平均速度梯度引起的湍流能k的產生項；Gb為由于浮力引起的湍流能k的產生項；YM為可壓湍流中脈動擴張的貢獻，對于不可壓流體，Gb=YM=0；C1ε、C2ε、C3ε、σk和 σε為經驗常數，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3；Ρ 為流體密度；k 為湍動能；ε 為湍動能耗散率；u為流體相對速度；μ為流體動力黏度。

2 模擬分析

2.1 模擬實驗設置

由于數值模擬實驗是在虛擬的環境下用數學模型分析的方法來執行的，所以可以忽略其它在試驗中可能會影響實驗結果的物理因素［6］，這里根據流量特性Kv值的定義，對實驗介質的參數定義如下：實驗介質為水；介質密度為1000 kg/m3；進口壓力為0.35 MPa；出口壓力為0.25 MPa；溫度為20℃。

2.2 邊界條件

為保證流場流動充分，在節流閥的進出口兩端均加有長度為5倍直徑的直管段。

采用Flow Simulation模塊對節流閥模型進行網格劃分，劃分精度控制為5級，并采取網格自適應模式，共劃分12844個節點。

邊界條件的設置為：進口處壓力（總壓）大小為0.35 MPa；出口處壓力（靜壓）大小為0.25 MPa；固體壁面邊界條件（默認），其流道壁面粗糙度設置為Ra6.3。

3 模擬計算

經過計算機的模擬運算后，得出節流閥在各個開度下的流量值，根據流量特性Kv值的定義，可以認定此時的流量值即為Kv值，圖3～圖5依次為節流閥在開度為30%、60%和90%的情況下的流場速度云圖。

圖330%開度下的速度云圖

圖460%開度下的速度云圖

圖590%開度下的速度云圖

根據上述速度云圖的特征可以看出，隨著閥門的開啟，節流閥的內部流體的閥芯出口位置最大瞬時流速從兩側逐漸向中心移動（如圖3～圖4所示），到開啟到最大位置時，閥芯出口位置流場速度呈均勻狀態（如圖5所示），根據調節閥設計的相關文獻［2］，這和實際流場流動的情況是吻合的。

根據模擬仿真的結果，可以得到節流閥的出口流量數據，如表1所示。

表1 節流閥在各個開度下的Kv值

由表1可繪制出該節流閥的流量特性曲線，如圖6所示。

圖6 節流閥的流量特性曲線

從節流閥的流量特性曲線可以看出，該節流閥的流量特性近似于直線，這和閥芯的錐面的結構形狀是有關的，也符合調節閥的相關設計理論，說明了模擬仿真的結果是和調節閥設計的理論相一致的。

根據流體力學理論計算流量的公式

在節流閥所在系統的壓差和流體介質密度已知的情況下，根據相應的參數，就可計算出當前的節流閥出口流量，根據我們在客戶的現場了解的參數，在開度50%的情況下，進出口壓差Δp=12 MPa；介質密度ρ=1200 kg/m3；流量Q=413 m3/h。

利用式（4）計算的流量Q為427.3 m3/h，相對誤差僅為3.35%。

改變邊界設置條件，對該工況進行數值模擬，介質設置如下：介質密度為1200 kg/m3；溫度為20℃。

邊界條件設置如下：進口處壓力（總壓）大小為15.1MPa；出口處壓力（靜壓）大小為3.1MPa；固體壁面邊界條件(默認)，其流道壁面粗糙度設置為Ra6.3。

經過模擬仿真計算后的流量為Q=421 m3/h，和實際情況下的流量相比，誤差為1.8%，這說明通過模擬仿真實驗計算出的結果是能夠符合實際情況的。

4 結論

通過模擬仿真計算的結果和現場實際工況符合的，可以用來作為計算的依據。通過計算機模擬仿真計算不僅可以得到相對精確的結論，而且可以觀察到節流閥的內部流場的分布情況，不僅能夠用來指導節流閥產品的設計，且可以用來驗證設計產品的性能，從而提高設計的可靠性。

通過計算機模擬仿真計算，可以很大程度上來代替代價昂貴的實驗設備，節約大量的實驗時間，得出的最終結論可以用來作為設計人員的設計參考依據。

［1］ 楊源泉.閥門設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1992.

［2］ 陸培文.實用閥門設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［3］ 陳超祥，胡其登.SolidWorks Flow Simulation 教程［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［4］ 巴鵬，鄒長星，張秀絎.基于CFD技術的截止閥啟閉時流場動態模擬［J］.潤滑與密封，2010，35（7）：80-85.

［5］ 于建.節流閥閥瓣調節特性仿真研究［J］.閥門，2011（4）：39-40.

［6］ 巴鵬，房元燦，譚效武.基于CFD技術的管道過濾器內部流場模擬及其結構優化設計［J］.潤滑與密封，2011，36（4）：98-101.