船用三通調節閥不同壓力下流量特性修正研究

周愛民，施紅旗，姜國寶，周 旭，李樹勛

(1. 武漢第二船舶設計研究所，湖北 武漢 430205；2. 蘭州理工大學石油化工學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引 言

三通流量調節閥作為工藝管路中重要的控制元件，在船舶系統各領域有著廣泛的應用。為實現調節閥流量調節的準確性，對其流量特性特別是流量系數的研究尤為重要。

隨著(計算流體力學 (Computational fluid dynamics,CFD) 計算方法的發展，數值模擬已經成對閥門內部流動研究的一種重要方法。國內外很多研究人員對閥內流動特性進行數值模擬，并與試驗結果進行了對比，證明了模擬的精確性[1～5]。Tao 等[6]研究了不同V型角度對調節閥性能和內部流動特性的影響，發現無論是V 角還是閥門開度的增加，都會導致閥門出口附近出現較大的壓力波動，從而導致較長的壓力穩定距離。Gao 等[7]對原有V 型調節閥進行了改進，結果表明改進后流量系數與附加間隙的流量截面積近似線性關系，滿足了特殊工況的可調性。章茂森等[8]采用CFD數值模擬方法對典型工況下的三通調節閥的內部流動進行了分析，研究發現閥芯節流錐面可以降低閥門內部湍動能和耗散率，有利于介質流動的穩定性。李樹勛等[9]采用遺傳算法對三通調節閥節流盤開口型線進行了優化，并通過CFD 與試驗相結合的方法驗證了優化后的流量調節特性滿足要求。現有文獻對三通閥主、旁通流量特性的研究較少，且大多為標準低壓工況，目前仍缺少對高壓工況下三通調節閥流量特性的研究。

因此，本文以PN50 DN250 船用三通流量調節閥為研究對象，采用 CFD 數值模擬方法對其低、高壓工況下流量特性進行數值模擬、求解修正流量系數。基于結合流態變化的高、低壓流量系數對比分析，提出了一種修正低壓試驗工況流量系數得到高壓實際工況下流量系數的方法。通過高壓工況下的主旁通流量特性試驗，驗證了該方法的精度。

1 結構原理

本文研究的PN50 DN250 三通調節球閥主要由閥體、閥桿、閥蓋、球芯、節流盤、底座等組成，調節精度高、結構緊湊、動作穩定可靠等特點。其中，主控制回路與旁通回路分別安裝了帶有特殊開口形狀的節流盤，以滿足流量特性調節要求，在流量變化范圍內實現連續、穩定、精確調節[10]。其三維結構模型如圖1 所示。

圖1 DN250 三通調節閥三維模型Fig. 1 3D model of DN250 three-way regulating valve

2 調節閥流量特性

調節閥的流量特性分為快開流量特性、線性流量特性、等百分比流量特性和拋物線流量特性4 種[11]，不同閥門流量特性曲線如圖2 所示。

圖2 不同閥門流量特性曲線Fig. 2 Flow characteristic curve of different valves

可知，不同流量特性的閥門開度與流量之間的變化關系不同。本文研究的DN250 三通調節閥，其主控制回路與旁通回路分別需要滿足等百分比流量調節特性和等線性流量調節特性的要求。其中線性流量特性閥門流量與開度為直線關系，而等百分比型閥門回路流量特性在小開度時流量變化較慢，大開度下流量變化快。

3 三通調節閥流場的數值模擬

3.1 計算模型

根據三維模型建立流道模型。分別取三通調節閥前后管段長度5 倍和10 倍的公稱直徑，使流場充分發展。將三維模型導入Ansys Workbench DM 中反向建模生成三通調節閥主控制回路和旁通回路三維內部流道模型。

3.2 網格劃分

三通調節閥流道模型網格由Ansys Workbench Mesh 軟件劃分生成，采取不均勻網格劃分策略使計算結果更加精確。主控制回路全開和旁通回路全開的網格結構如圖3 和圖4 所示。

圖3 主控制回路流道網格Fig. 3 Main control loop runner grid

圖4 旁通回路流道網格Fig. 4 Bypass loop runner grid

模擬計算中流量值是求解的重要結果，因此選取計算流量值為目標進行網格無關性檢驗。在壓差為100 kPa 的邊界條件下，計算3 種不同網格的流體流量值，如表1 所示。

表1 三通調節閥閥網格無關性檢驗Tab. 1 Grid independence test of three-way regulating valve

可知：從網格1 到網格2 流量的變化值為0.47%，從網格2 到網格3 流量的變化值為0.19%，流量變化值很小。因此在考慮模擬計算精度、時間成本和工作量的情況下，最終確定三通調節閥流道全開網格節點數為549 956，單元數為1 458 569。

3.3 邊界條件及數值計算方法

流體流動遵循納維斯托克斯方程(N-S)，對于可壓縮粘性流體流動求解應用的控制方程如下：

質量守恒方程

動量守恒方程

能量守恒方程

分別選取高壓實際工況海水和低壓試驗工況標準大氣壓下常溫淡水作為模擬介質，其進出口邊界條件如表2 和表3 所示。

表2 雙回路實際工況模擬計算邊界條件Tab. 2 Boundary conditions for simulation calculation of actual operating conditions of two loops

采用Fluent 仿真軟件對三通調節閥閥內流場進行模擬計算，分別對三通調節閥主控制回路和旁通回路的每一個典型開度(10%，20%，30%，…，100%)進行CFD 數值模擬計算，當殘差曲線達到收斂值且監測的變量保持不變時，計算結束。以RANS 方程為流體流動基本控制方程，采用無滑移壁面邊界條件，在近壁面區采用標準壁面函數，以標準k-ε雙方程為湍流模型，通過SIMPLE 算法進行流場的速度及壓力的求解并對入口流量和出口流量進行監測。

3.4 數值計算結果分析

選取低壓試驗工況100%，80%和60%開度3 個常用開度為例，對三通調節閥低、高壓的控制回路和旁通回路的流動狀況進行分析。分別對每個開度下的壓力場及流線分布進行后處理可視化，以分析三通調節閥真實的流動狀況。

低壓試驗工況下三通調節閥主、旁通回路流動信息如圖5 和圖6 所示。分析可知三通調節閥主、旁通回路流量特性有著相同的變化規律：閥前壓力和速度分布均勻，流動平穩；隨著流體流經節流件，速度逐漸增大，流線開始紊亂，伴隨有渦流的出現；節流件后出現局部低壓區，出口處壓力分布均勻，流速也逐漸平穩。隨著閥門開度的減小，流線紊亂程度增大。

圖5 低壓工況不同開度下三通調節閥主控制回路流場圖Fig. 5 Flow field diagram of control loop of three-way regulating valve with different openings under low pressure condition

圖6 低壓工況不同開度下三通調節閥旁通回路流場圖Fig. 6 Flow field diagram of bypass loop of three-way regulating valve with different openings under low pressure condition

高壓實際工況下三通調節閥主、旁通回路流動信息如圖7 和圖8 所示。分析可知，高壓工況下的壓降要大于低壓工況，且隨著開度的減小，壓降逐漸增大。相同開度下，旁通回路壓降大于主控制回路壓降。主控制回路80%開度下的壓降就已經達到了170 kPa 旁通回路60%開度時，壓降更是達到了310 kPa，遠大于標準規定的100 kPa 壓差。

圖7 高壓工況不同開度下三通調節閥主控制回路流場圖Fig. 7 Flow field diagram of the main control loop of the three-way regulating valve under different opening degrees under high pressure conditions

圖8 高壓工況不同開度下三通調節閥旁通控制回路流場圖Fig. 8 Flow field diagram of the bypass loop of the three-way regulating valve under different opening degrees under high pressure conditions

4 流量系數修正

4.1 流量系數計算

流量系數Kv計算公式為：

式中：Q為被測體積流量，m3/h；ΔP為閥門的靜壓差，kPa；N1為數學常數，10×10-1；ρ1為流體的密度，單位kg/m3；ρ0為15℃時的水密度，kg/m3，水在常溫時，取ρ1/ρ0的值為1。

通過式（6）對由CFD 模擬計算得到的DN250 三通調節閥高、低壓試驗工況流量系數并求解2 種工況模擬結果的相對偏差如圖9 和圖10 所示。

圖9 主控制回路流量系數模擬曲線Fig. 9 Simulation curve of flow coefficient of main control loop

圖10 旁通回路流量系數模擬曲線Fig. 10 Simulation curve of flow coefficient of bypass loop

可以看出，模擬得到的高、低壓工況流量系數有所偏差，主控制回路和旁通回路流量系數模擬值最大偏差不超過6%，且開度越小，偏差越大。這是由于高壓實際工況下的壓力、壓差很大，流體由不可壓縮轉變為可壓縮，密度、粘度等流體特性發生改變，雷諾數增大，流體流態發生改變。此時測得的流量特性不再與其固有的流量特性完全相符，因此需要對低壓工況下試驗測得的流量系數進行修正。

4.2 流量系數修正方法

在較低壓下，三通閥內開始的流動狀態為層流可視為理想流動，閥內流體隨著壓降的增大，導致邊界層受到破壞，流動方式也開始發生轉變。從流量-壓差特性出發，結合試驗研究和理論分析，研究從較低壓差下得到的三通調節閥主控制回路、旁通回路的理想流量特性換算在實際工作壓力下三通調節閥主控制回路、旁通回路的工作流量特性。

根據伯努利方程：

流體由靜止狀態經閥門流道至出口時，入口處的壓力能全部轉換為出口處的動能，即壓力損失轉換為出口的速度頭，可得：

式中：H1和H2分別為流道入口、出口的壓頭，m；p1和p2分別為入口、出口的壓力，Pa；g為重力加速度，取9.8 N/kg；v1，v2分別為入口、出口的流速，m/s；ρ為流體密度，kg/m3。

雷諾數是一種可用來表征流體流態變化情況的無量綱數：

式中：v為流體的流速，m/s；ρ為流體的密度，kg/m3；η為流體黏性系數，d為管徑尺寸，m。

根據式（9）計算不同流態時的流量系數：

式中：Kv,req為閥門在某一紊流狀態時的流量系數；FR為低壓試驗工況與高壓實際工況的修正系數。

每個開度的修正系數為：

式中，e為高壓工況與低壓試驗工況模擬結果的相對偏差，此相對偏差與雷諾數Rev有關，故式（11）可以寫為：

利用式（6）求得Kv后代入式（10），得到實際工作壓力下的流量：

式中：Q為測得的介質流量，m3/h；Δpv為被試驗閥門的凈壓差，kPa；ρ為介質密度，kg/m3；ρ0為15℃的水密度，kg/m3。

5 試驗與驗證

5.1 試驗

為驗證修正后的流量系數的精確性，針對現行國際、國內標準[12]沒有明確給出三通調節閥流量特性試驗方法和高壓下流量調節閥的流量特性試驗方法，結合三通調節閥特點和相關標準開展三通調節閥流量特性試驗。試驗時，對三通調節閥2 個回路分別進行試驗：控制回路類似于一臺直通式閥門，其流量特性試驗以直通式試驗方法進行測試；旁通回路類似于一臺角通式閥門，其流量特性試驗以角通式試驗方法進行測試。

被測三通調節閥安裝于標準試驗管段上，分別在閥前2 倍和閥后6 倍閥門公稱直徑處[13]設置取壓口。上下游節流閥共同作用控制試驗段前后的壓差，并使下游壓力保持一個特定值。試驗時通過安裝在取壓口的壓力傳感器讀取試驗段前后的壓差，通過流量儀表讀取對應流量，經過多次試驗后得到被測閥門不同開度下的壓差及流量，依據調節閥流通能力試驗標準處理試驗數據即可得到對應開度下的流量系數。

試驗具體步驟如下：

步驟1將被測閥門固定在試驗管路中，調試電裝，排除可能發生的運行故障及安全隱患。

步驟2為保證試驗過程中管道內介質充滿管路，試驗管路內無殘留的空氣，控制系統的變頻泵頻率為40 Hz(調節范圍為0～60 Hz)，讓流量試驗系統穩定運行一段時間后進行試驗。

步驟3待系統穩定運行后，分別調節待測閥門開度為100%，90%，80%，70%，60%，50%，40%，30%，20%和10%，待檢測到的流量和壓力數據穩定后，采集流量和壓差信息，同一開度重復3 次。

步驟4關閉試驗系統，切斷電源。

5.2 試驗驗證

對低壓試驗工況和高壓實際工況進行現場試驗。監測得到DN250 三通調節閥主控制回路及旁通回路不同工況和開度下的壓差、流量，代入式（6）得到試驗流量系數，修正得到的高壓工況流量系數如表4 所示。

表4 DN250 三通調節閥修正的流量系數(Kv)Tab. 4 Corrected flow coefficient (Kv) of DN250 three-way regulating valve

根據修正后的流量系數繪制流量特性曲線并與試驗獲得的高壓實際工況流量系數進行對比驗證，對比結果如圖11 和圖12 所示。

圖11 三通調節閥控制回路流量特性曲線Fig. 11 Flow characteristic curve of the control loop of the three-way regulating valve

圖12 三通調節閥旁通回路流量特性曲線Fig. 12 Flow characteristic curve of bypass circuit of three-way regulating valve

由圖11 可知，主控制回路修正得到的流量系數曲線其流量特性接近等百分比流量特性，與試驗流量系數曲線趨勢一致。在10%～100%開度范圍內模擬值與試驗值的平均偏差為8.01%，修正值與試驗值的平均偏差為2.35%。

由圖12 可知，旁通回路修正得到的流量系數曲線其流量特性接近線性流量特性，與試驗流量系數曲線趨勢一致。在10%～100%開度范圍內模擬值與試驗值的平均偏差為8.79%，修正值與試驗值的平均偏差為2.29%，認為CFD 數值模擬有著較高的精度，模擬修正后的流量系數更符合試驗值，可用于預測及修正三通調節閥高壓實際工況流量系數。

6 結 語

利用CFD 計算流體力學方法對某型船用三通調節閥高低壓工況進行數值模擬，根據模擬結果提出的高低壓工況流量系數修正轉化關系，對低壓工況下的試驗流量系數進行修正，得到高壓實際工況流量系數，并進一步通過試驗加以驗證，結論如下：

1）該型閥門主控制回路流量特性曲線接近等百分比流量特性、旁通回路流量特性曲線接近線性流量特性，均與試驗流量系數曲線趨勢一致。

2）模擬得到的主控制回路和旁通回路流量系數與試驗結果的平均偏差不超過6%，證明CFD 數值模擬計算結果有著較高的精度。

3）基于高低壓工況CFD 數值模擬結果，提出并得到了轉化修正系數，修正后的高壓工況流量系數與試驗得到的高壓流量系數平均偏差在2.35%以內，本方法可用于指導三通閥高壓實際工況流量系數的預測。