基于CFD 仿真的調節閥流動特性分析

謝玉東 王海波 包木鵬 王勇

（1.山東大學 機械工程學院，濟南 250061；2.高效潔凈機械制造教育部重點實驗室（山東大學)，濟南 250061；3.艾坦姆流體控制技術（山東）有限公司，濟寧 273516；）

調節閥在管網系統和閥門系統中均得到了廣泛應用，是管網系統中必不可少的元件。閥籠在調節閥中起到通流的作用，其性能對于調節閥功能的發揮至關重要。目前，已有部分專家學者對閥籠進行了研究。于嘉琛[1]、包錦峰等[2]研究了閥籠式調節閥的性能，分析了閥籠式調節閥的流量特性和力學特性。周廣伶等[3]、張婷等[4]研究了調節閥閥籠的設計。仇暢[5]、吳文奎[6]探討了閥籠的加工及其應用性能。閥籠通流面積和通流形狀決定著調節閥的流動特性，因此基于計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真來分析調節閥閥籠的通流面積和通流形狀對調節閥流動特性的影響。

1 創建閥籠物理模型

調節閥的閥籠是決定整個閥門流通特性的關鍵。調節閥（含閥籠）的流場模型如圖1 所示。閥籠上通流結構的面積與形狀是影響閥門流動特性的重要因素，為了解調節閥閥籠對閥門流動特性的影響，對調節閥閥籠的流通面積和流通結構進行分析[7-8]。不同調節閥閥籠通流形狀如圖2 所示。

圖1 調節閥（含閥籠）流場模型

圖2 調節閥閥籠通流形狀

2 數值模擬

2.1 網格劃分

為分析調節閥閥籠的流動特性，首先對調節閥進行網格劃分。為保證仿真數據的準確性和可靠性，在建立調節閥流場模型時，將閥前管道加長2 倍，閥后管道加長6 倍，同時對閥籠部分進行網格加密。調節閥流道網格劃分如圖3 所示。

圖3 調節閥流道網格劃分圖

2.2 設置邊界條件

將調節閥入口設置為速度入口，其速度為2 m·s-1，管道出口設置為壓強出口，默認為大氣壓。每個時間步最大迭代次數設置為400 次。

2.3 設置Fluent 求解器

采用ANSYS Fluent 軟件，基于Standard k-ε 模型進行仿真。壓強-速度耦合采用壓力耦合方程組的半隱式方法（Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations，SIMPLE）。在控制方程的離散格式上，壓強方程、動量方程、紊動能方程和耗散率方程采用二階迎風格式。流場的連續性殘差收斂標準設為1×10-3。

3 閥籠通流面積對閥門性能影響分析

閥籠作為調節閥的關鍵部分，其流通面積對流動特性起到決定性的作用。為研究通流面積變化對閥門流通特性的影響，分別選擇半徑r為2 cm、3 cm 和4 cm的圓形通流結構進行仿真。

圖4、圖5 分別為不同通流面積閥籠的壓強云圖和速度云圖。隨著閥籠流通面積的增大，調節閥入口的壓強明顯減小。隨著調節閥閥籠通流面積的增大，調節閥進出口壓強差逐漸減小。當r=2 cm 時，閥籠進出口壓差較大；當r=3 cm 時，閥籠進出口壓差較小；當r=4 cm 時，閥籠進出口壓差進一步減小。

圖4 不同通流面積的流場壓強云圖

圖5 不同通流面積的流場速度云圖

圖6、圖7 分別為調節閥閥籠位置剖面的壓強云圖和速度云圖。調節閥的流體經閥籠流出，流經閥籠前后會產生明顯的壓差，整個調節閥的壓降主要集中在閥籠位置。隨著流通面積的增大，閥籠前后的流體阻力隨之減小，流體對閥籠的沖擊也逐漸減小，減輕了流體對閥籠的沖擊和磨損[9]。

圖6 不同通流面積閥籠剖面的流場壓強云圖

圖7 不同通流面積閥籠剖面的流場速度云圖

為方便對比不同半徑閥籠的流通特性，繪制出流通面積對閥門進出口壓差影響的折線圖，如圖8 所示。隨著流通面積的增大，閥門進出口的壓差明顯減小，由1 772.25 Pa 降低為79.94 Pa。由此可以看出，增大閥籠的流通面積，閥門間的壓差可成倍減小，閥籠對管道流體的阻礙作用會顯著下降。圖9 為通流面積變化對閥門流量的影響，隨著流通面積的增大，調節閥的流量基本保持不變。

圖8 通流面積變化對閥門進出口壓差的影響

圖9 通流面積變化對閥門流量的影響

4 閥籠通流形狀對閥門性能影響分析

為進一步探討閥籠形狀對閥門流動特性的影響，選擇相同流通面積、不同通流形狀的閥籠進行仿真分析。圖10、圖11 分別為不同流通形狀閥籠的壓強云圖和速度云圖，圖12、圖13 分別為不同通流形狀閥籠的剖面的流場壓強云圖和速度云圖。閥籠的流通形狀無論是圓形、正方形還是正六邊形，閥門前后的壓降都主要集中在閥籠處。通過改變閥籠的流通形狀，可以改變閥門前后的壓差。隨著流通形狀的邊數增多，閥門前后的壓差逐漸變小。通流形狀為圓形的閥籠前后壓差最大，通流形狀為正方形和正六邊形的閥籠的前后壓差接近，通流形狀為正六邊形的閥籠最小。在保持通流面積不變的情況下，采用通流形狀為多邊形的閥籠，有助于減小閥門前后的壓差，減少流體對閥籠的沖擊。

圖10 不同通流形狀閥籠的流場壓強云圖

圖11 不同通流形狀閥籠的流場速度云圖

圖12 不同通流形狀閥籠剖面的流場壓強云圖

圖13 不同通流形狀閥籠剖面的流場速度云圖

為了方便對比不同形狀閥籠的流通特性，繪制出形狀變化對閥門的影響折線圖，如圖14 所示。隨著通流形狀邊數的增多，閥門前后的壓差逐漸減小，流體對閥籠的沖擊也逐漸減小，說明多邊形通流形狀的閥籠有助于減少閥門前后的壓差損[10]。通流形狀變化對閥門流量的影響如圖15 所示。由圖15 可知，流通面積保持不變，改變流通形狀，閥門流量無明顯變化或跳躍波動，依然保持穩定，說明閥籠通流形狀的變化對閥門流量影響較小。

圖15 通流形狀變化對閥門流量的影響

5 結語

閥籠對調節閥的流體調節性能具有顯著影響，增大閥籠處的流通面積有助于減小閥門前后的壓差，減少閥門上的節流損失。在保持流通面積不變的前提下，采用多邊形結構的閥籠有助于減小閥門前后的壓差，減輕流體對閥籠的沖擊與磨損。