三角口旋塞調節閥流量特性的數值分析

于洪濤，王宏光

（上海理工大學 能源與動力工程學院 上海 200093）

調節閥的流量特性曲線是閥門設計和選型的依據，通常需要通過試驗的方法獲取。隨著計算流體力學（CFD）的發展，通過CFD數值模擬，不僅可以獲得流量特性曲線，而且能夠獲得流場的局部特征，為調節閥的設計和結構優化提供參考。彭龑等［1］利用 COSNOS/FloWorks軟件計算球閥的流量系數，分析了球閥的流量系數和流場壓力分布情況，進而驗證了CFD技術應用于計算閥門流量系數的準確性。吳石等［2］采用非結構、非交錯網格的有限體積法求解應用二方程模型封閉的雷諾平均N-S方程組，對水管路系統中蝶閥、閘閥和球閥的三維分離流動進行數值模擬。結果表明，閥門下游的流噪聲大于閥門上游的流噪聲，渦聲是閥門噪聲的主要來源。劉華坪等［3］基于Fluent軟件，利用動網格及UDF計算對蝶閥、閘閥、球閥和調節閥內流動進行了動態數值模擬，得到了閥門開、關過程的流動狀態，并分析了四種閥門在不同時刻受力系數與力矩系數的變化情況。李軍業［4］在實驗基礎上分析了流量試驗結果的各種影響因素，比如雷諾數、流阻系數。Michael等［5］對非定常氣動激振力這一現象進行了研究，通過實驗與Fluent軟件模擬的對比，在不同的壓降、不同的操作模式（包括隨機頻率和主頻周期流寬度），得到了實驗結果和模擬結果均在誤差允許的范圍內。Zachary等［6］通過CFD模擬得到了不同壓力以及其他參數條件下蝶閥的流場，并得到了合力和扭矩的相應關系。本文對三角口旋塞調節閥進行CFD模擬計算，得到其流量特性曲線，并對其流場特征進行分析。

1 CFD 建模與計算

1.1 閥門及流道的模型

計算模型為帶襯套的調節閥，旋塞開口形式為三角口。圖1為閥體和閥門剖視圖。圖2為旋塞及其細節。

圖1 閥體和閥門剖視圖Fig.1 Valve body and its sectional view

利用UG NX8.0軟件生成該閥門的流道，閥門入口法蘭向前延伸至2倍直徑長度，閥門出口法蘭向后延伸至10倍直徑長度。圖3為閥門全開流道。圖4為閥門開度示意圖，圖中閥門開度代表閥門的旋轉角度。

采用Fluent軟件中前處理軟件ICEM畫非結構網格，全開流道網格總數為843558，節點數為143958，網格質量在0.3以上。

圖2 旋塞整體及其細節Fig.2 Cock and its details

圖3 閥門全開流道Fig.3 Channel with the fully open valve

圖4 閥門開度示意圖Fig.4 Schematic diagram of the valve opening

1.2 數值方法

采用Fluent軟件計算，選取穩態求解，一階精度，k-ε兩方程模型，并采用三組數據取平均值的方法得到Kv值。三組數據的出入口條件分別為：① 入口總壓550 kPa，出口靜壓500 kPa；② 入口總壓550 kPa，出口靜壓450 kPa；③ 入口總壓550 kPa，出口靜壓400 kPa。閥門內的工質為水，密度ρ為998.2 kg·m-3, 黏性系數為0.001003 kg·m-1·s-1。

2 計算結果及分析

2.1 流量特性曲線計算

選定閥門的8個開度，分別進行三組穩態模擬計算，得到每個開度的平均Kv，最后得到閥門的流量特性曲線。

閥門Kv的計算公式為

式中：Q為流量；ΔP為入口和出口的靜壓力差；g為重力加速度。

表1為入口總壓力為550 kPa、出口靜壓為550 kPa，隨閥門開度變化計算的相關數據。隨著閥門開度的減小，流量減小，流通能力變小，Kv減小，靜壓損失變大，閥門節流后產生的漩渦加劇，甚至產生回流。通過和閥門實際使用過程的對比發現，該流量特性曲線滿足閥門的可控制區間要求，即閥門在開度為17°時開始有流體通過，85°時全部流通。

表1 隨閥門開度變化計算的相關數據Tab.1 Results with the changes of the valve opening

圖5為流量特性曲線，其中第一個數據點為閥門完全關閉時，第二個數據點為開始有流體流入閥門時。由圖中可知：閥門開度為17°～85°時，Kv的變化率隨開度的增大而增大；閥門開度為85°至全開時，Kv的變化率隨開度增大而減小。這是由于在開度為85°時閥門已經完全連通，閥門的流通能力和Kv隨閥門開度的增大，變化較小。

圖5 流量特性曲線Fig.5 Flow characteristic curve

2.2 三個不同開度的流場分析

以閥門的入口總壓力為550 kPa、出口靜壓為500 kPa時為例，分別得到全開流通對稱面上的靜壓云圖、總壓云圖、速度云圖，結果如圖6所示。

由圖6（a）知，閥門靜壓在流體進入閥門之前較大，流經閥門時較小，在經過閥門后靜壓有所恢復。圖6（b）中，流體流經閥門后在三角口旋塞處總壓仍然很大，并且影響到閥門下游。這是由于流體流經三角口旋塞時，由連續性方程可知，該處速度很大，閥門下游的速度也受到影響。圖6（c）中閥門入口處和出口處的速度大致相同，三角口旋塞前、后速度明顯變大。由于閥門旋塞開口為三角口的形式，流體流過閥門時所受阻滯作用較大，入口總壓較大，閥門下游壓力較低，因而在旋塞出口形成高速射流，在旋塞右下側和右上側均形成旋渦。該漩渦是由于射流與閥體下游低速流體的剪切作用形成，且一直影響到出口。同時，因為流道足夠長，流場得到充分的發展，在入口部分的流速和出口部分的流速大致相同，此時閥門流量系數最大，流通能力最強。此時閥門全開，對應于流量特性曲線最高處。

圖6 全開流道對稱面上的靜壓、總壓、速度云圖Fig.6 Static pressure contour on the symmetric plane, the total pressure contour and the velocity contour of each section in the fully opening channel

圖7為閥門開度為60°時對稱面上的靜壓云圖、總壓云圖和速度云圖。由圖7（a）中知，閥門上游的靜壓較大，流經閥門時靜壓減小，并且在閥門后靜壓達到最小，在閥門下游靜壓開始恢復。圖7（b）中總壓在入口處最大，在出口處很小。流體流經閥門時，由于三角口旋塞的作用，使得三角口旋塞處的總壓很大，并且影響到閥門后側，同圖6（b）中相比，影響變小。圖7（c）中，流體流經閥門，根據連續性方程，速度變大，并在閥門下游的某個位置達到最大值。開度為60°時，由于流通面進一步縮小，流體所受的阻滯作用加大，靜壓差變得更大，射流速度變大，在閥門右側產生漩渦。該漩渦一直影響到出口部分。同時，由于流體流過不規則的流道，在閥門內部以及閥門入口前側產生角渦。同理，流場充分發展，使得入口速度和出口速度大致相同，此時閥門流量系數變小，流通能力減弱，對應于流量特性曲線斜率變化較大處，此時旋開閥門，流量變化量較大。

圖8為閥門開度為30°時對稱面上的靜壓云圖和速度矢量圖。開度為30°時，由于此時的流通面相當小。流體所受阻滯作用非常大，閥門前后靜壓損失也很大，速度劇烈變化。流體入口速度為0.4 m·s-1，在節流面時速度達到7 m·s-1。由于流動狀態非常復雜，在閥門內部和閥門前后均產生較大的漩渦。此時有較少的流體流過閥門，流通能力很弱，流量系數變小。對應于流量特性曲線斜率變化較緩處，此時旋開閥門，流量變化量較小。

圖7 閥門開度為60°時對稱面上的靜壓、總壓和速度云圖Fig.7 Static pressure contour, total pressure contour and velocity contour on the symmetric plane with the valve opening of 60°

綜上可得，隨著閥門開度的減小，閥門從全開到完全關閉狀態，流通能力變弱，流量系數變小，且在這個過程中會伴隨著漩渦的產生和消退。

3 結 論

（1）由流量特性曲線可知，該閥門在閥門開度為17°時開始有流體通過，開度為85°時已接近全開。在17°～85°之間，隨著開度的增大，流量特性曲線的斜率變大；在85°到全開時，隨著開度的增大，斜率變化減小。

（2）隨著閥門開度的減小，由于閥門流通截面變小，使得靜壓損失變大，湍流度變大，使流場內的渦系變得復雜，最終導致該閥門的流通能力減弱。

圖8 閥門開度為30°時對稱面上的靜壓云圖和速度矢量圖Fig.8 Static pressure contour and velocity vector on the symmetric plane with the valve opening of 30°