在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)閥屬于控制閥系列，是流體運輸過程和工藝環(huán)路中的重要控制元件，是保證各種工藝設(shè)備正常運行的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個領(lǐng)域。隨著技術(shù)的進步，工業(yè)實踐中的各種場合都對調(diào)節(jié)閥提出了高溫、高壓、高壓差等要求。特別是在高壓差條件下使用的調(diào)節(jié)閥容易在閥芯和閥座上產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕和腐蝕，并伴有強烈的振動和噪聲。這些現(xiàn)象導(dǎo)致調(diào)節(jié)閥在高壓差條件下工作性能下降，使用壽命縮短，帶來安全風(fēng)險，給工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的安全高效運行帶來諸多問題，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重事故。因此，在高壓差條件下開發(fā)特殊的調(diào)節(jié)閥具有重要意義。

本文介紹了多級套筒調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作過程。流體力學(xué)的應(yīng)用計算（CFD）該軟件模擬了多級套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場的內(nèi)部三維湍流流值，以獲得調(diào)節(jié)閥內(nèi)部壓力、速度和痕跡的分布。CFD模擬實驗方法可獲得多級套筒調(diào)節(jié)閥的CV和流量特性曲線，提高樣機試制成功率，縮短開發(fā)周期，避免經(jīng)驗參數(shù)或?qū)嶋H試驗引起的周期和成本增加，為多級套筒調(diào)節(jié)閥的設(shè)計和研究提供進一步參考。

1 多級套筒調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及工作流程

開發(fā)設(shè)計的多級套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)節(jié)閥主要用于電站、石化、化工等高參數(shù)條件，工作介質(zhì)主要為高溫水或過熱蒸汽。液體從右到左流動，液體從套筒外流動到內(nèi)；氣體從左到右流動，氣體從套筒內(nèi)流動到外流動。由于多級套筒的作用，流體通過閥體經(jīng)歷多次逐步降壓過程，每層套筒壓力下降一次。多級套筒作為閥門的核心部件，可抑制介質(zhì)流量的增加，控制允許范圍內(nèi)的壓力變化，有效避免和減少閃蒸空化現(xiàn)象和高速流體對閥門部件的侵蝕，延長調(diào)節(jié)閥的使用壽命，保證設(shè)備和系統(tǒng)的可靠運行。

圖1

2 多級套筒調(diào)節(jié)閥流場的數(shù)值模擬

2.建立1 流道實體模型

利用Solidworks三維物理建模軟件建立了調(diào)節(jié)閥腔內(nèi)部流道的模型。整體模型由外部閥腔流道和內(nèi)套筒流道組成。建立的物理模型準(zhǔn)確地反映了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實際情況。同時，為了充分進行模擬計算時流道兩端的流動，進出口表面的流動穩(wěn)定均勻，閥門內(nèi)部流道模型的進出口兩端延伸，流道模型如圖2所示。

圖2

2.建立了數(shù)值模擬過程控制方程組

在模擬實驗過程中，調(diào)節(jié)閥流體通道中的實際流量為湍流水。在正常條件下，采用k-ε湍流模型，描述閥內(nèi)常不可壓縮流的方程如下：

(1)

動量方程：

   （2）

紊動能k方程：

   （3）

♂

紊動能耗散率ε方程：

   （4）

式中：x_i———笛卡爾坐標(biāo)系坐標(biāo)，i＝1，2，3；ui———沿i方向的速度分量，i＝1，2，3；f_i———沿i方向重力；p———壓力；ρ———水的密度；υ———水的運動粘度系數(shù)；υ_t———渦粘性系數(shù)，υ_t＝Cμk²/ε；P———表達式為紊動能生成項

k-ε采用模型中的系數(shù)Launder和Spalding的推薦值：C_μ＝0.09，C₁＝1.44，C₂＝1.92，σ_k＝1。

流場出口:流場出口的邊界條件為垂直于截面的壓力梯度為零，包括:

   （5）

式（5）中：u，υ，w———沿不同方向的速度重量，n———局部坐標(biāo)垂直于截面。

固壁邊界：在固壁上選擇無滑動條件u＝υ＝w=0，忽略了固壁處的摩阻流速。

2.3 數(shù)值模擬計算和結(jié)果分析

為保證計算精度，采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)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)格劃分，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，中間多級套筒的流體通道采用Tet/Hybrid（四面體/混合）網(wǎng)格被劃分，為了使計算結(jié)果更準(zhǔn)確，每層套筒中的孔分別加密。由于計算模型對稱，模擬計算的50%，以減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省計算時間；連續(xù)方程和三維雷諾平均N-S基于各向同性渦粘性理論的方程和方程k-ε方程組成調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動數(shù)值模擬的控制方程組，采用有限體積法對控制方程組進行離散；根據(jù)廠方提供的系統(tǒng)運行實際工況參數(shù)，該次計算的進口處壓力為7MPa，出口壓力為0，介質(zhì)為常溫水，密度ρ＝998.2kg/m³。

2.3.1 壓力場分析

如圖3所示，可以看出調(diào)節(jié)閥進出口壓力分布均勻，套筒壓力逐漸穩(wěn)定下降，閥體下腔和出口直管段有局部低壓區(qū)域，如A在這種情況下，局部最大壓力為7.17MPa，分布在閥門進口和最外套。

圖3 z=0水平截面壓力分布云圖

2.3.2 速度場分析

速度分布如圖4所示。入口端和閥腔的速度分布相對均勻，由于套筒節(jié)流效應(yīng)和閥體流道結(jié)構(gòu)的影響，出口端的速度分布不均勻。套筒內(nèi)的速度從外到內(nèi)逐步上升，在7MPa在壓差工況下，最內(nèi)套筒的速度最大，如B處所示。入口段和出口段流道拐角處有幾個小閥門死區(qū)，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

閥內(nèi)流體線分布如圖5所示所示。痕跡線是連續(xù)時間內(nèi)單個質(zhì)點的流動軌跡線。這是拉格朗日法描述流動的一種方法。閥內(nèi)流體痕跡線在進口處均勻，套筒進入閥體下腔時分布集中。由于流道結(jié)構(gòu)的特點，出口處流體分布不均勻，如C處所示。

圖5

♂

3　流量特性研究

3.11 閥門流量系數(shù)模擬計算

閥門的流量系數(shù)是指在規(guī)定條件下調(diào)節(jié)閥門流通能力的基本系數(shù)，是工業(yè)閥門的重要工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。項目要求C_V國際上廣泛應(yīng)用于非國際單位制的調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)。C_V在一定壓力下降時，常溫條件下的水在一定時間內(nèi)流過調(diào)節(jié)閥的體積。

   （6）

式中：q_v——體積流量，m³/h；G——實驗流體密度與水密度的比值(水=1)；Δp———閥兩端靜壓損失100kPa。

根據(jù)GB/T17213.9-2005《工業(yè)過程控制閥》第2-3部分:流量系數(shù)在流通能力實驗過程中的規(guī)定:實驗介質(zhì)為常溫水；入口壓力分別為1.0，1.5，3.0MPa三種工況；在出口壓力為0的情況下進行實驗，實驗數(shù)據(jù)見表1所列。

表1

取三組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值：

C_V＝（C_V1    C_V2    C_V3）/3＝102.93

說明多級套筒調(diào)節(jié)閥C_V值約103，能滿足設(shè)計要求。

3.2 擬合不同開度下的流量系數(shù)曲線

同樣，可以計算出不同開度下多級套筒調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，數(shù)據(jù)見表2所列。

表2

根據(jù)表2中獲得的數(shù)據(jù)，擬合閥流特性曲線如圖6所示：

圖6

從圖6可以看出，隨著調(diào)節(jié)閥開度的降低，流體的阻塞性增加，閥門的流量系數(shù)也降低，流量特性曲線基本符合線性分布。

4 結(jié)束語

1）應(yīng)用CFD該軟件模擬了調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場的三維湍流值。結(jié)果表明，多級套壓力分布均勻，最大壓力為7.17MPa，分布在閥門進口和最外套，套筒壓力逐步穩(wěn)定下降，閥體下腔和出口直管段有局部低壓區(qū)域；套筒內(nèi)流量由外向內(nèi)逐步上升，最內(nèi)套筒內(nèi)流量最大，第一套筒內(nèi)最大流量低于常規(guī)閥門，多級套筒內(nèi)流體壓力和流量逐步降低，可有效防止和減少壓力突變引起的閃蒸汽蝕危害。

2)在設(shè)計過程中引入CFD仿真實驗，能夠精確地計算出多級套筒調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，大幅提高了一次樣機試制的成功率，縮短了開發(fā)周期，降低了成本，為多級套筒調(diào)節(jié)閥的設(shè)計與研究提供進一步的參考。