調節閥門閥芯結構對流量特性影響分析

劉潔

摘 要 針對某錐面調節閥，在充分分析閥芯幾何結構的基礎上，應用三維建模軟件建立閥門內部流道模型，通過CFD進行離散求解，得到調節閥的流量特性曲線，與實驗數據進行了比較分析。通過對錐面閥芯結構尺寸的改變，再對改進后的流道進行數值模擬，得出最優改進模型。

關鍵詞 調節閥門；閥芯結構；流量特性

中圖分類號 TH134 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）162-0177-02

閥門在工業領域中有著廣泛的應用，是工業系統中不可缺少的主要設備之一。錐面調節閥門在控制流量中精度高，在定量流體輸送環節應用前景廣泛。錐面閥芯的幾何尺寸是決定閥門控制調節能力的非常重要的設計參數，傳統的研究手段是采用試驗手段，對閥門的外部特性，如進出口壓力差、流量系數等，進行測量和分析，而對流體在閥門內部流動情況則很難知曉[ 1 ]。近年來，隨著計算流體動力學（CFD）技術的迅速發展，為了解閥門內部流場分布，探尋各流動參數的變化規律提供了便捷的方法。

本文通過詳細分析錐面結構特征，給出影響閥芯錐面的3個幾何參數關系，利用FLUENT流體分析軟件，詳細分析了錐面結構變化對閥門內部流場的影響。研究結果可為同類閥門的設計和試驗提供借鑒。

1 閥芯幾何特征分析

1.1 控制閥的流量特性

流量控制閥門最重要的標準之一是它的流量特性。控制閥的流量特性取決于它固有的流量特性。固有的流量特性表示為在恒溫和閥門兩邊壓力降不變的情況下，通過閥門的流量與控制元件位置（推桿行程）的函數關系。通常的流量特性有線性的、改進線性的、等百分比的、以及平方根（快速開啟）的[ 1 ]。控制閥的流量特性見圖1所示。

任何流量特性曲線都通過恰當的閥門元件的形狀或控制閥門的打開及關閉運動來得到。為了得到所希望的固有流量特性，在設計閥門元件時，必須考慮入口、出口以及殼體壓力損失對閥門的流量的影響。在理想情況下，控制閥全部壓力降應發生在控制元件兩邊。然而，

流道的幾何形狀突然變化引起的壓力損失是不能完全消除的。因此，為了使整個閥門具有所要求的流量特性，常常需要設計人員對理論上求得的閥門元件流通面積與行程的關系加以改進以便補償這種損失。

1.2 錐面閥芯幾何特征

分別對4種錐芯尺寸的模型進行數值計算，并把計算結果與實驗數值進行比較（數值計算結果見表1）。模型1的流通規律基本與實驗結果一致，但是相對誤差比較大，最大值為0.168，原因應是單錐面與雙錐面閥芯引起的；模型2和模型4的流通規律也基本與實驗結果一致，但是模型2在開度較大時產生了很大誤差，最大值為0.237，模型4在閥芯處于中間位置時產生了很大誤差，并且流量控制不穩定，最大誤差為0.255，主要原因是參數匹配不合理；模型3的流通規律與實驗結果有很好的一致性，并且誤差比較小，最大誤差僅為0.046。模型數值計算流量特性如圖3所示。

3 結論

運用理論分析、數值仿真相結合的方法，對錐面閥芯幾何結構與流道流動特性進行系統、深入的分析。分析的計算結果表明：通過數值模擬，調整錐面閥芯的幾何尺寸，給出最佳閥芯幾何尺寸方案，與實驗數據進行比較，基本滿足實際情況要求。文中所提出的閥芯幾何尺寸關系和采用CFD方法將大大提高錐面調節閥設計的技術含量與產品質量，可縮短調節閥的設計和加工周期，節省大量成本。

參考文獻

[1]“閥門管件設計”編譯組.美國閥門管件設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1987：93-96.

[2]樊達宜，欒秀春.基于FLUENT的節流管式調節閥結構優化[J].哈爾濱商業大學學報：自然科學版，2012（10）：588-590.

[3]沈陽，欒秀春.節流管式調節閥動態特性研究[J].電站系統工程，2012（5）：11-17.

[4]黃志新，劉成柱.Ansys Workbench 14.0超級學習手冊[M].北京：人民郵電出版社，2014.