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以連續性方程、三維雷諾平均N-S方程和基于各向同性渦黏性理論的k-ε方程組成多級套筒調節閥內部流動(dòng)數值模擬的控制方程組，依據數值計算要求，設定適當的邊界條件，采用結構與非結構網(wǎng)格相結合有限體積法對控制方程組進(jìn)行離散；應用CFD軟件對多級套筒調節閥內部流場(chǎng)進(jìn)行內三維湍流流動(dòng)數值模擬，分別對其壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和跡線(xiàn)分布進(jìn)行了分析。結果表明多級套筒結構的設計能較好地改進(jìn)閥內流動(dòng)狀況，實(shí)現壓力的漸變，有效地避免汽蝕現象的發(fā)生。在設計過(guò)程中引入了CFD仿真實(shí)驗，研究了多級套筒調節閥的流量特性，提高了樣機試制的成功率，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了成本，從而為多級套筒調節閥的設計與研究提供借鑒。
 
    在現代工業(yè)生產(chǎn)中，調節閥屬于控制閥系列，它是流體運輸過(guò)程和工藝環(huán)路中的重要控制元件，是確保各種工藝設備正常工作的關(guān)鍵設備，被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)及日常生活各個(gè)領(lǐng)域中。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)實(shí)踐中的各種場(chǎng)合都對調節閥提出了高溫、高壓、高壓差等要求。尤其是應用于高壓差條件下的調節閥，極易在閥芯及閥座部位產(chǎn)生嚴重的沖蝕和汽蝕，并伴有強烈的振動(dòng)和噪聲現象。這些現象導致在高壓差條件下工作的調節閥工作性能降低、使用壽命縮短，帶來(lái)安全隱患，給工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的安全高效運轉帶來(lái)諸多問(wèn)題，甚至導致嚴重事故發(fā)生。因此，研發(fā)專(zhuān)用于高壓差工況下的特殊調節閥意義重大。

    文中介紹了研發(fā)的多級套筒式調節閥內部結構及其工作過(guò)程。應用計算流體力學(xué)（CFD）軟件對多級套筒調節閥內部流場(chǎng)進(jìn)行內三維湍流流動(dòng)數值模擬，獲得調節閥內部壓力、速度及跡線(xiàn)的分布。借助CFD仿真實(shí)驗的方法，可以得到多級套筒調節閥的ＣＶ和流量特性曲線(xiàn)，提高樣機試制的成功率，縮短開(kāi)發(fā)周期，避免常規設計中，憑借經(jīng)驗參數或者實(shí)際試驗后再修改造成的周期與成本的增加，從而為多級套筒調節閥的設計與研究提供進(jìn)一步的參考。

    1 多級套筒調節閥結構及工作過(guò)程

    研發(fā)設計的多級套筒調節閥結構如圖1所示。該調節閥多用于電站、石化、化工行業(yè)及其他高參數工況下，工作介質(zhì)多為高溫水或過(guò)熱蒸汽。通液體時(shí)流向為從右向左，液體由套筒外側流向內側；通氣體時(shí)流向為從左至右，氣體由套筒內側流向外側。由于多級套筒的作用，流體在通過(guò)閥體時(shí)要經(jīng)歷一個(gè)多次逐級降壓的過(guò)程，流體每通過(guò)一層套筒壓力就會(huì )下降一次。多級套筒作為該閥的核心部件，可以使介質(zhì)流速的增加得到抑制，將壓力的變化控制在允許的范圍之內，有效地避免和減輕閃蒸空化現象的發(fā)生以及高速流體對閥門(mén)部件的沖蝕，延長(cháng)調節閥的使用壽命，并保證設備與系統的可靠運行。

圖1 多級套筒式調節閥結構示意

    2 多級套筒調節閥流場(chǎng)的數值模擬

    2.1 流道實(shí)體模型的建立

    利用Solidworks三維實(shí)體建模軟件，對調節閥腔內部流道建立模型。整體模型由外部閥腔流道與內部套筒流道兩部分裝配組成，所建實(shí)體模型準確地反映了調節閥內部結構的實(shí)際情況。同時(shí)，為使模擬計算時(shí)流道兩端的流動(dòng)得以充分進(jìn)行以及進(jìn)出口面流動(dòng)呈穩定均勻，對閥門(mén)內部流道模型進(jìn)出口兩端都進(jìn)行了延伸，建立的流道模型如圖2所示。

圖2 閥內流道模型示意

    2.2 數值模擬過(guò)程控制方程組建立

    在模擬實(shí)驗過(guò)程中，調節閥流體通道中的實(shí)際流動(dòng)是湍流狀態(tài)的水。在定常條件下，采用了k-ε湍流模型，描述閥內的定常不可壓縮流動(dòng)的方程如下：

    連續性方程：     （1）

    動(dòng)量方程：

        （2）

    紊動(dòng)能k方程：

        （3）

    紊動(dòng)能耗散率ε方程：

        （4）

    式中：xi———笛卡爾坐標系坐標，i＝1，2，3；ui———沿i方向的速度分量，i＝1，2，3；fi———沿i方向的重力；p———壓力；ρ———水的密度；υ———水的運動(dòng)黏性系數；υt———渦黏性系數，υt＝Cμk2/ε；P———紊動(dòng)能生成項，其表達式為

    k-ε模型中系數采用了Launder和Spalding的推薦值：Cμ＝0.09，C1＝1.44，C2＝1.92，σk＝1。

    流場(chǎng)出口：流場(chǎng)出口的邊界條件為沿垂直于該斷面方向的壓力梯度為零，有：

        （5）

    式（5）中：u，υ，w———沿不同方向的速度分量，n———垂直于該斷面的局部坐標。

    固壁邊界：在固壁上選用無(wú)滑移條件，速度u＝υ＝w＝0，固壁處的摩阻流速忽略不計。

    2.3 數值模擬計算及結果分析

    為了保證計算精度，采用以結構性和非結構性網(wǎng)格相結合的劃分方法形成網(wǎng)格。流道兩端的直管段網(wǎng)格采用Hex/Wedge（六面體/楔形）網(wǎng)格進(jìn)行劃分，中間多級套筒部分的流體通道因為結構比較復雜，所以采用Tet/Hybrid（四面體/混合）網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并且為了使計算結果更加精確，對每一層套筒中的小孔都分別進(jìn)行了加密處理。由于計算模型是對稱(chēng)的，因而取其50%進(jìn)行模擬計算，以減少網(wǎng)格數目、節省計算時(shí)間；以連續性方程、三維雷諾平均N-S方程和基于各向同性渦黏性理論的k-ε方程組成調節閥內部流動(dòng)數值模擬的控制方程組，采用有限體積法對控制方程組進(jìn)行離散；根據廠(chǎng)方提供的系統運行實(shí)際工況參數，該次計算的進(jìn)口處壓力為7MPa，出口處壓力為0，介質(zhì)為常溫水，密度ρ＝998.2kg/m3。

    2.3.1 壓力場(chǎng)分析

    壓力分布云圖如圖3所示，從中可以看出：調節閥進(jìn)、出口壓力分布比較均勻，套筒中壓力逐級穩定下降，在閥體下腔與出口直管段處有局部低壓區域，如A處所示。此工況下，局部最大壓力為7.17MPa，分布在閥門(mén)進(jìn)口與最外側套筒處。

圖3 z＝0水平截面上壓力分布云圖

    2.3.2 速度場(chǎng)分析

    速度分布如圖4所示，入口端和閥腔內速度分布比較均勻，出口端因受套筒節流效應及閥體流道結構影響速度分布較不均勻。套筒內速度由外向內逐級上升，在7MPa壓差的工況下，在最內側套筒中速度達到最大，如B處所示。在入口段及出口段流道拐角處出現了幾處范圍很小的閥門(mén)死區，此處流體靜止，速度為0。

圖4 z＝0水平截面上速度分布云圖

    2.3.3 跡線(xiàn)

    閥內流體跡線(xiàn)分布如圖5所示，跡線(xiàn)是單個(gè)質(zhì)點(diǎn)在連續時(shí)間內的流動(dòng)軌跡線(xiàn)，是拉格朗日法描述流動(dòng)的一種方法，閥內流體跡線(xiàn)在進(jìn)口處較為均勻，由套筒進(jìn)入閥體下腔時(shí)分布比較集中，出口處部分由于流道結構特點(diǎn)流體分布較不均勻，如C處所示。

圖5 閥內流體跡線(xiàn)分布示意

    3　流量特性研究

    3.1 閥門(mén)流量系數模擬計算

    閥門(mén)的流量系數是用于說(shuō)明規定條件下調節閥流通能力的基本系數，是工業(yè)閥門(mén)的重要工藝參數和技術(shù)指標。該項目所求CV為非國際單位制的調節閥流量系數，在國際上廣泛使用。CV表示在一定壓力下降的情況下，常溫條件的水在一定時(shí)間內流過(guò)調節閥的體積。

        （6）

    式中：qv——體積流量，m3/h；G——實(shí)驗流體的密度與水的密度的比值（水＝1）；Δp———閥兩端測出的靜壓損失，100kPa。

    根據GB/T17213.9—2005《工業(yè)過(guò)程控制閥》第2-3部分：流通能力實(shí)驗程序中對流量系數的規定：在實(shí)驗介質(zhì)為常溫水；入口壓力分別選擇1.0，1.5，3.0MPa三種工況；出口壓力為0的條件下進(jìn)行實(shí)驗，所得實(shí)驗數據見(jiàn)表1所列。

表1 100%開(kāi)度流量系數數據

    取三組數據的算術(shù)平均值，得：

    CV＝（CV1+CV2+CV3）/3＝102.93

    說(shuō)明該多級套筒調節閥的CV值約為103，可以滿(mǎn)足設計要求。

    3.2 不同開(kāi)度下的流量系數曲線(xiàn)擬合

    同理可計算出不同開(kāi)度下多級套筒調節閥的流量系數，得出數據見(jiàn)表2所列。

表2 不同開(kāi)度流量系數數據

    根據表2中所得數據，擬合閥門(mén)流量特性曲線(xiàn)如圖6所示：

圖6 多級套筒調節閥流量特性曲線(xiàn)

    由圖6可見(jiàn)隨著(zhù)調節閥開(kāi)度的減小，流體所受阻滯作用增大，通過(guò)閥門(mén)的流體流量減小，閥門(mén)的流量系數也隨之降低，流量特性曲線(xiàn)基本符合線(xiàn)性分布。

    4 結束語(yǔ)

    1）應用CFD軟件對該調節閥閥內流場(chǎng)進(jìn)行三維湍流數值模擬計算。結果表明：多級套筒調節閥進(jìn)、出口壓力分布均勻，最大壓力7.17MPa，分布在閥門(mén)進(jìn)口與最外側套筒處，套筒中壓力逐級穩定下降，在閥體下腔與出口直管段處有局部低壓區域；套筒內流速由外向內逐級上升，在最內側套筒中流速達到最大，第一級套筒內局部最大流速低于常規閥門(mén)的最大流速，并且在多級套筒中流體壓力的降低與流速的增大都實(shí)現了逐級漸變，能有效地防止和減輕由于壓力突變所造成的閃蒸汽蝕危害。

    2）在設計過(guò)程中引入了CFD仿真實(shí)驗，能夠精確地計算出多級套筒調節閥的流量系數，大幅提高了一次樣機試制的成功率，縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了成本，為多級套筒調節閥的設計與研究提供進(jìn)一步的參考。