基于CFD的迷宮式調節閥內流場分析

陳 超，宗超勇，李清野，宋學官

(大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

迷宮式調節閥是一種被廣泛應用在石油和天然氣等能源管道系統內的重要控制元件，其主要功能是在高壓差工作條件下控制管道系統內流體的流通狀態。目前國內對于迷宮式調節閥的研發制作以仿造國外產品為主，研究迷宮式調節閥內流場分布情況的相關工作較少且處于起步階段[1-2]。金多文[3]通過迷宮式調節閥在工業中應用案例，展示了迷宮式調節閥閥芯選擇的計算過程。王若愚[4]等應用CFD流體分析軟件對單條迷宮式流道進行仿真計算，得到了擴張系數對于迷宮式流道內流體流動狀態的影響。劉佳等[5]應用CFD流體仿真軟件對單條迷宮式流道進行模擬計算，分析比較了分流式與對沖式2種迷宮式流道形狀對流體流動狀態的影響。陶國慶等[6]對不同開度下迷宮式調節閥模擬計算，獲得了迷宮式調節閥的流量系數曲線。郝嬌山[7]對仿真計算結果進行分析提出了一種新的流道結構設計思路并擬合了不同開度下調節閥整體的流量特性曲線。王金海等[8]應用數值模擬和實驗方法得到了迷宮式調節閥整體的流量特性。何濤等[9]通過對迷宮式調節閥內流場的數值模擬驗證了所設計的低噪聲的閥芯盤片結構并分析了閥體內噪聲產生的原因。雖然上述文章已經對迷宮式調節閥內部流體的流動特性進行了研究，但是對于迷宮式調節閥的局部流體的流動特性研究還有待深入。

本文應用ANSYS Workbench商業有限元仿真軟件對迷宮式調節閥內流場的二分之一模型進行了數值模擬，根據仿真計算的結果分析了迷宮式調節閥內流場整體的流動特性，并通過建立監測面得到迷宮式調節閥內局部區域流體的壓力、流速和質量流量等物性參數，研究了迷宮式調節閥局部流體的流動特性。

1 數值模擬方法

1.1 幾何模型和網格無關性驗證

迷宮式調節閥主要包括閥體、閥芯和閥桿等零件，其三維幾何模型如圖1所示。研究中所用的迷宮式調節閥閥體高度為125 mm，入口和出口直徑為76 mm,距離為300 mm，閥芯由10個盤片組成，每個盤片上有8個對稱分布的迷宮式流道，流道橫截面尺寸為2 mm×2 mm，閥芯的幾何模型如圖2所示。閥桿的行程為40 mm。閥體的內流場幾何模型具有對稱性，為了降低計算資源在本文的研究中采用內流場二分之一幾何模型進行仿真計算，并按國家標準GB/T 17213.9—2005中關于閥門流通能力測試管道配置規定，將入口側延長至管道直徑的2倍，將出口側延長至管道直徑的6倍，以保證仿真計算結果的準確性。

圖1 迷宮式調節閥三維幾何模型

圖2 閥芯結構示意

迷宮式調節閥內流場幾何模型的網格劃分如圖3所示。閥芯的幾何形狀對流體壓力和速度的變化起主要作用，使用六面體網格進行劃分，其他流域應用四面體網格劃分,并對內流場與迷宮式流道和閥桿孔的連接處的網格進行了加密。為了在不影響計算結果準確程度的情況下盡可能選用較少的網格，選用1 323 258，1 864 144，2 277 705，2 758 730和4 929 605這5種逐步增加的網格數量進行模擬計算。網格數量對計算結果的影響如表1所示。由表1可知，當網格數量增加至2 277 705后繼續增加網格數量對出口的質量流量影響相對較小，所以最終選擇該數量的網格進行仿真計算。

圖3 二分之一內流場幾何模型網格劃分

表1 網格數量對計算結果影響

1.2 計算方法和邊界條件

對迷宮式調節閥的幾何模型進行前處理后，將其導入至ANSYS Workbench中的Fluent模塊內，設置求解域邊界條件，入口壓力設置為5×105Pa,出口壓力設置為2×105MPa,參考壓力為1個標準大氣壓,內部流體介質為常溫狀態下的水，選用標準k-ε湍流模型對迷宮式調節閥的內流場進行計算求解，求解域內控制方程[10]。

質量守恒方程為

(1)

動量守恒方程為

(2)

湍動能k方程為

(3)

湍動耗散率ε方程為

(4)

式(1)～式(4)中，μeff為有效粘度;μt為湍動粘度，可以表示成k和ε的函數;S為體積力;σk和σε分別為與湍動能和耗散率對應的Prandtl數;Gk為由流體的平均速度梯度導致的湍動能的生成項;C1ε和C2ε為經驗常數[10]。

1.3 流通系數的計算方法

因為本文研究中閥體內流動介質為常溫水，且質量流量Q和壓強差ΔP的單位分別為kg/s和100 kPa，所以根據GB/T 17213.9-2005工業過程控制閥第2.3部分,流通能力實驗程序中關于流量系數的計算公式推得本文中迷宮式調節閥整體的流量系數公式為

(5)

為了對迷宮式調節閥局部介質的流動特性進行研究，需要對每個盤片和每條迷宮式流道的流量系數進行計算。這樣就需要在每條迷宮式流道的進出口建立監測面得到計算流量系數所需要的物理量，而且為了進一步研究迷宮式流道內流體的流動規律，在每條流道內部建立了11個檢測面，如圖4所示。因為在閥體內流體同時流入每個盤片上的各條迷宮式流道，所以式(5)可以寫成[2]

(6)

(7)

i為閥芯盤片和迷宮式流道的序號；CV，Diski和CV，Pathi分別為每個盤片和每條迷宮式流道的流量系數，每條流道的流量系數可以通過式(5)計算得到。

圖4 迷宮式流道內監測面的位置

2 數值結果分析

2.1 迷宮式調節閥整體的流量特性

迷宮式調節閥的工作原理是通過改變閥桿的位置來控制閥芯的開度，從而實現對流過迷宮式調節閥的流體的壓力和質量的調節。本文研究中分別對不同開度下迷宮式調節閥內部流體的流動狀態進行了仿真計算，得到迷宮式調節閥整體在不同開度下的流量系數的計算值如表2所示。根據表2數據繪制調節閥整體的流量特性曲線如圖5所示。通過圖5可知，本文中研究的迷宮式調節閥的流量是線性變化的。

表2 不同開度下迷宮式調節閥整體的流量系數

圖5 迷宮式調節閥整體的流量特性曲線

閥芯開度為100%時，調節閥內流場部分的對稱面上的壓力分布云圖和速度分布云圖分別如圖6,圖7所示。圖6和圖7顯示迷宮式調節閥內部流體的壓力和速度的變化主要發生在閥芯內部，但是從圖7中閥桿孔位置的速度分布可以知道從同一盤片的各個迷宮式流道出口流出的流體的運動狀態是不同的，因此流入同一盤片的各個迷宮式流道入口流體的運動狀態也一定是不同的，這應該是閥芯盤片上各個迷宮式流道入口幾何空間位置的不同和迷宮式流道入口處流體復雜的流動狀態造成的。

圖6 對稱面上的壓力分布云圖

圖7 對稱面上的速度分布云圖

2.2 迷宮式調節閥局部流量特性

閥芯開度為100%時，閥芯上盤片1、盤片5和盤片10的迷宮式流道內流體的壓力和速度分布分別如圖8和圖9所示。從圖8和圖9可知，閥芯盤片1、盤片5和盤片10這3個盤片上的各個迷宮式流道內流體的壓力和速度分布大致相同，但是不同盤片相同序號的流道內流體的壓強和速度的數值相差較大。圖10和圖11分別顯示了盤片1、盤片5和盤片10上流道1內各個監測面上的平均壓強和平均速度。由圖10可以知道，閥芯盤片上迷宮式流道內各個監測面上流體的平均壓強雖然在流經流道前后有較大幅度的下降，但不是由大到小逐漸降低的，而是流體在每次經過迷宮式流道的直角彎后流體的壓強都會有小幅度的恢復，同時也可以看到從盤片1到盤片5再到盤片10相同序號的流道內流體的壓強逐漸降低。由圖11可以知道，閥芯盤片上的迷宮式流道內各個監測面上流體的平均速度是呈現波浪式變化的趨勢，并且從流道的局部區域看其變化趨勢與流道內流體壓強的變化趨勢相反，同時可以看到從盤片1到盤片5再到盤片10相同序號的流道內流體的速度先減小后增大。

迷宮式調節閥內流過每個盤片內流體的質量流量等于流過盤片上各個流道的流體的質量流量之和。閥芯開度為100%時，流經各盤片的流體的質量流量變化如圖12所示，在圖12中可知，由盤片1到盤片10流經各盤片的流體的質量流量以接近指數的規律逐漸增加，由此可知從盤片1到盤片10各盤片上的迷宮式流道對流體的流動阻力逐漸降低。

圖8 閥芯迷宮式流道內流體的壓力云圖

圖9 閥芯迷宮式流道內流體的速度云圖

圖10 迷宮式流道內監測面的平均壓強

圖11 迷宮式流道內監測面的平均速度

圖12 流經閥芯各盤片流體的質量流量

通過式(1)～式(3)可計算出每個盤片的流量系數。雖然由盤片1到盤片10流經各盤片的流體的質量流量在不斷增加，但是從表3中的數據可以看到：在閥芯各個盤片中盤片3的流量系數最大，值為0.376 8；盤片10的流量系數最小，值為0.371 4，兩者相差1.5%，所以閥芯上各盤片的流量系數的值基本相等。

表3 閥芯開度為100%時各盤片的流量系數

由式(1)可知流量系數的值與流經迷宮式流道的流體的質量流量呈正比，與迷宮式流道進出口兩端流體的壓強差的平方根呈反比。雖然由盤片1到盤片10流經各盤片的流體的質量流量逐漸增加，但是由盤片1到盤片10各盤片上迷宮式流道進出口兩側流體的壓強差卻是不斷減小的，因此閥芯上各盤片之間流量系數的值基本相等。

3 結束語

應用計算流體力學的方法對迷宮式調節閥內流場的二分之一幾何模型進行了模擬計算，研究分析了迷宮式調節閥整體和局部流體的流動特性。得到結論如下：迷宮式調節閥整體的流量系數與閥芯開度的變化線性相關；同一盤片上各迷宮式流道入口和出口流體的運動狀態是不同的；迷宮式流道內局部流體的流速和壓強變化的趨勢是相反的；閥芯內流經各盤片流體的質量流量以接近指數的規律逐漸增加，但是閥芯內各盤片之間流量系數的值基本相等。