異形高壓節流調節閥氣動載荷分析

楊建江 李娟 周帆

摘 要：本文以高壓氣體作用下異形節流閥為研究對象，在不同開角、不同時間作用下，尋求閥芯處氣動載荷大小的規律。研究結果表明：隨著放氣時間在增加，閥芯受到的氣動載荷迅速增大，隨著時間推移，閥芯的氣動載荷也隨之緩慢下降。閥芯的開合面積越大，閥芯的最大氣動載荷越小；閥芯的開合面積越大，閥芯的最大氣動載荷上升的速率越小，下降的也速率越小。研究成果旨在應用于閥芯轉軸的研制和生產，為減少試驗次數，節約試驗成本，閥芯強度設計提供參考。

關鍵詞：異形；調節閥；氣動載荷

中圖分類號：034 文獻標識碼：B

1 緒論

節流調節閥是各種流體裝置中重要的控制設備，在石油、城市供排水、汽車、船舶、核工業、水利、化工、航空航天等各個領域中應用較為廣泛。隨著各個行業的不斷發展，對調節閥產品的要求也越來越高，不僅要確保調節品質，還需要降低節流能耗。如何實現調節閥穩壓、實現來流的快速響應是調節閥面臨最為棘手的問題。而調節閥內的氣體流動很大程度上決定了調節閥的穩定性，氣體的流動與流動狀態息息相關，因而，詳盡的了解調節閥的工作參數，結構參數對氣體流的影響規律，以及閥芯氣動載荷大小，保證產品結構安全，改進它的工作性能，更好地促進調節系統整體工作狀態，提高氣流的穩定性是當前亟需解決的問題。

目前，國內節流閥行業科研水平仍處在剛剛起步階段，基本停留在經驗設計的方法上[1]，大量試驗只能得到節流閥的使用最終結果，工作狀態下，而無法得到通調節閥其內部實際參數變化，更無法知道其氣動載荷，閥芯處的氣動載荷是影響調節閥使用的關鍵因素，僅通過試驗研究不利于后續新產品的研制。國外研究此類問題較早，大多數美國著名大學均開展相應閥體應用研究，其中在Bathe博士[2-3]的帶領下，閥體問題研究取得了長足的進步，不但可以自主開發新產品，還遠銷國外，研究成果卓著，并且在有限元仿真軟件中實現了調節閥的氣動載荷計算、流固等多物理場求解問題，但國內外學者對異形高壓節流閥研究較少，本文以高壓氣體作用下異形節流閥為研究對象，利用流體分析軟件CFDesign，在不同開角、不同時間作用下，尋求閥芯處氣動載荷大小的規律。

2 氣動載荷理論建模

利用數學方法建模是解決閥芯氣動載荷一種有效方法，根據物理模型建立閥芯的數學模型，通過數學模型建立方程組，然后求解未知量。對于閥芯氣動載荷問題，確定閥芯的氣流是一個不均勻場，是個非線性問題，首先將閥芯分割成若干個單元即離散化，轉化為線性問題求解。依據初始條件和邊界條件建立方程組，用數值分析的方法求解方程組，得到微小單元上的氣動載荷，再通過積分的方法求解整個閥芯的氣動載荷。

利用上述思想求解閥芯處的氣動載荷，流體域和氣動載荷分別離散化，可以將流體域表達為（1）式，

3 計算模型及邊界條件

在高壓氣體作用下，異形節流調節閥內氣體的流動是復雜的湍流流動，調節閥簡單示意圖如圖1所示，調節閥直徑為40mm，總長為150mm，閥芯直徑為20mm。依據其異形節流高壓調節閥的實際結構，建立其可視化的三維仿真模型，這里仿真計算閥芯開合等效截面積分別為20%、40%、60%、80%的四種情形，等效截面積如圖2所示，如圖可看到內部區域異形結構，調節閥氣體壓力平衡式閥芯。

根據調節閥工作狀態，求解閥芯的氣動載荷時，整個流道作為流體仿真的計算域，由于調節閥工作狀態為高壓氣體，因此建立氣體流動的湍流模型，根據流體仿真的特點，分析整個流體域，為了達到理想的分析結果，為確保入口和出口處流體單向流動而不產生回流，必須增加流體域來保證邊界條件施加的準確性，將入口和出口管段分別增加10%，即15mm，如圖3所示。氣動載荷分析模型和邊界條件根據調節閥實際工作狀態設定，調節閥入口端連接4.5MPa高壓氣瓶，出口端是能力釋放單元，高壓氣體推動100Kg質量的物體，計算閥芯轉軸處的氣動載荷。

流體分析時設定調節閥入口為壓力條件，出口為自由邊界，閥體流道設定為光滑壁面邊界條件，建立三層邊界層，初始條件由穩定的高壓來流實際工作工況決定。采用湍流模型，常溫下空氣的材料屬性如下表。通過計算，得到閥芯處氣動載荷分析結果。

為了保證精度的要求，在對閥體進行網格劃分時，在閥芯區域內，網格劃分較密；在其他流道區域，不影響計算精度的情況下，網格劃分較稀疏。采用非結構網格進行劃分，將閥體抑制，僅保留流體域，將所有壁面自動添加三棱柱加密網格，邊界層采用軟件默認功能。在不同開合角度和不同開合面積情況下計算閥芯處的氣動載荷。

4 計算分析

為了研究不同開合面積的閥芯所受氣動載荷，分別數值模擬了不同開合面積、不同開合時間情況下閥芯的氣動載荷。本文仿真計算了A=20%、A=40%、A=60%、A=80%四種等效開合面積情況下，在60ms內閥芯所受氣動載荷情況，其計算結果如圖4，縱坐標單位為牛（N），橫坐標單位為毫秒（ms）。

研究結果表明：在調節閥開啟很短的時間內，閥芯受到的氣動載荷迅速增大，隨著時間增加，閥芯的氣動載荷也隨之緩慢下降。閥芯的開合面積越大，閥芯的最大氣動載荷越小；閥芯的開合面積越大，閥芯的最大氣動載荷上升的速率越小，下降的也速率越小。

5 結論

數值仿真結果表明：在調節閥開啟很短的時間內，閥芯受到的氣動載荷迅速增大，隨著時間增加，閥芯的氣動載荷也隨之緩慢下降。閥芯的開合面積越大，閥芯的最大氣動載荷越小；閥芯的開合面積越大，閥芯的最大氣動載荷上升的速率越小，下降的也速率越小。

通過以上的仿真分析可知，分別得到了不同開合面積下閥芯的氣動載荷，研究結果旨在應用于閥芯轉軸的快速研制，大大減少試驗次數，準確定位試驗項目，節約試驗成本，閥芯參數化設計提供理論依據。

參考文獻：

[1]田豐，鄧少翔，韓景復，等.國產600 MW 汽輪機單順閥滑壓運行特性試驗研究[J].汽輪機技術，2009（2）：144-147.

[2]BATHE K J， ZHANGH， A flow condition base dinater polation finite element procedure for incompressible fluid flows [J].Computers & Structures， 2002， 80：1267-1287.

[3]KOHNOH，BATHE K J.Anine-node quadrilateral FCBI element for incompressible fluid flows[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids， 2006，51：673-699.