基于Workbench Fluent對閥門流量分析的應用研究

李建剛，徐翠翠，施俊杰，王清清

（江蘇神通閥門股份有限公司，江蘇 啟東 226200）

閥門為截斷、接通流體通路或改變流向、流量及壓力值的裝置。對于流體系統，閥門的流量系數代表了閥門在管道流體系統中的流通能力也可理解為閥門在管道系統的能量消耗。當然，通過流量試驗得出閥門的流量系數會更加準確，但如果需要進一步優化流量系數，需要重新優化設計和制造，增加了企業成本，延長了產品的開發周期。Workbench Fluent仿真分析的應用可在產品生產制造之前，就對閥門進行流量分析驗證，降低企業生產成本，縮短產品開發周期。

1 閥門流量分析遵循標準

閥門流量分析與流量試驗方法一致，遵循GB/T30832-2014《閥門流量系數和流阻系數試驗方法》，對于閥門的流量分析，通過三維軟件建立閥門三維模型，同時按照圖1，分別建立L1以及L2、L3的標準管道模型，其中L2的管道長度應大于或等于5倍閥門公稱口徑尺寸，L3的管道長度應大于或等于10倍閥門公稱口徑尺寸，L1應等于L2和L3之和，并依據圖1的布置方式和順序連同閥門模型建立流體分析三維模型。并根據GB/T30832-2014里的Kv或Cv公式計算得出閥門的流量系數。

圖1 流體仿真分析布置圖

2 Workbench Fluent簡介

Fluent 是一款在Workbench中集成的軟件，利用經認證的計算流體力學（CFD）技術計算三維模型內外的流體（氣體或液體）狀態，可用來模擬從不可壓縮到高度壓縮范圍內復雜流動。由于該軟件采用了多種求解方法和多重網格加速收斂技術，因而能達到最佳的收斂速度和求解精度。

Fluent被廣泛用于對設計優化和性能分析要求極高的多種行業及各種應用，如閥門和調節閥、液壓組件和充氣組件、熱交換器、渦輪設計、電子設備，以及航空航天、石油天然氣、汽車設計等許多其他產品。

3 Fluent分析步驟

3.1 閥門流體分析的三維建模

通過三維軟件對閥門及管道進行三維特征造型建模。目前大多數三維建模軟件的參數化和特征造型技術可滿足絕大部分的工程設計的需要。既能真實反映實際設計原型，也可考慮計算的真實性和可行性，對三維模型進行局部位置的簡化。

建立管道L1、L2和L3的三維管道及閥門模型，并依據圖1的流量試驗管道布置方式，裝配三維流量分析模型。閥門流量分析模型見圖2、管道流量分析模型見圖3。其中L1長度為15DN，L2長度為5DN，L3長度為10DN。

圖2 閥門和管道三維模型

圖3 L1長度的管道三維模型

3.2 網格劃分

根據圖2和圖3的模型在Fluent軟件中反向建模得出模型內部流域三維實體，并對該流域三維實體進行網格劃分。完成網格劃分后，分別設置圖2的1側為進口，2側為出口，圖3的3側為進口，4側為出口。設置進口和出口是為了后期設置邊界條件和監控該處壓力等數據。

3.3 流量分析設置

（1）首先設置流量分析的介質和流體狀態，對于常用的流量分析的介質，例如水、氣體、蒸汽等。在Fluent模塊中已收錄了常用的流量分析介質。在此，我們設置介質為水。

（2）設置流體分析的邊界條件，一般對于閥門的流量分析，主要設置進口流體速度和出口的壓力兩個邊界條件。一般設置流體速度為1～5m/s，出口的壓力設置為環境壓力。

（3）計算模型選擇通用的Standard K-epsilon。求解方法選擇基于單元的格林-高斯法，求解精度均設為二階迎風精度。

（4）設置進口壓力和出口速度值的監測，用于得出計算結果的進口壓力和出口流速，同時可以方便在分析過程中檢測進口壓力和出口流速的收斂性。

3.4 分析結果后處理

通過Fluent軟件中面目標可得出，L1入口處的壓力p1，L2進口處的壓力p2以及L1、L3出口處的流速等數據。p1和p2的差值就是閥門的凈壓差△pv。同時，也可以得出閥門的流量、流速、壓力云圖，可以幫助分析人員更加直接的觀察閥門的流體狀態。

3.5 流量計算

通過分析結果得出壓力和流量可根據GB/T30832-2014的公式：

式中，Q為流體水的流量，m3/h；Δpv為閥門的凈壓差，kPa；ρ為水的密度，kg/m3；ρ0為15℃時水的密度，kg/m3。

模擬分析時，為減少偶然性的影響，采用不同流速邊界條件分別進行分析，以確保最終分析結果更加接近實際，經過多個流速分析與實際流量試驗及對比，得出采用不同流速得出的結果平均值更加接近流量實測結果。以DN250和DN350中線蝶閥為例，經過按照0.1m/s、0.5m/s、1m/s、2m/s、5m/s等幾個流速加載模型進行流量分析，得出的Kv的平均值分別5274.72m3/h和9917.06m3/h，該閥門在合肥通用所進行的流量實測值分別為5193.97m3/h和9840.33m3/h。流量分析與流量試驗誤差在2%以內，達到了工程實際使用數據誤差范圍內。

4 結語

由此可見，Workbench的Fluent模塊的閥門流量模擬分析數據可應用于實際工程，同時在設計階段就可驗證和優化閥門流道。可降低企業成本，縮短產品開發周期。