以連續(xù)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(jí)套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬的控制方程組，依據(jù)數(shù)值計(jì)算要求，設(shè)定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合有限體積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散；應(yīng)用CFD軟件對(duì)多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行內(nèi)三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬，分別對(duì)其壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和跡線分布進(jìn)行了分析。結(jié)果表明多級(jí)套筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能較好地改進(jìn)閥內(nèi)流動(dòng)狀況，實(shí)現(xiàn)壓力的漸變，有效地避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。在設(shè)計(jì)過程中引入了CFD仿真實(shí)驗(yàn)，研究了多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的流量特性，提高了樣機(jī)試制的成功率，縮短了開發(fā)周期，降低了成本，從而為多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)與研究提供借鑒。
 
    在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，調(diào)節(jié)閥屬于控制閥系列，它是流體運(yùn)輸過程和工藝環(huán)路中的重要控制元件，是確保各種工藝設(shè)備正常工作的關(guān)鍵設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及日常生活各個(gè)領(lǐng)域中。隨著技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)實(shí)踐中的各種場(chǎng)合都對(duì)調(diào)節(jié)閥提出了高溫、高壓、高壓差等要求。尤其是應(yīng)用于高壓差條件下的調(diào)節(jié)閥，極易在閥芯及閥座部位產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕和汽蝕，并伴有強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象。這些現(xiàn)象導(dǎo)致在高壓差條件下工作的調(diào)節(jié)閥工作性能降低、使用壽命縮短，帶來安全隱患，給工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)帶來諸多問題，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重事故發(fā)生。因此，研發(fā)專用于高壓差工況下的特殊調(diào)節(jié)閥意義重大。

    文中介紹了研發(fā)的多級(jí)套筒式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作過程。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對(duì)多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行內(nèi)三維湍流流動(dòng)數(shù)值模擬，獲得調(diào)節(jié)閥內(nèi)部壓力、速度及跡線的分布。借助CFD仿真實(shí)驗(yàn)的方法，可以得到多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的ＣＶ和流量特性曲線，提高樣機(jī)試制的成功率，縮短開發(fā)周期，避免常規(guī)設(shè)計(jì)中，憑借經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或者實(shí)際試驗(yàn)后再修改造成的周期與成本的增加，從而為多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)與研究提供進(jìn)一步的參考。

    1 多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及工作過程

    研發(fā)設(shè)計(jì)的多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。該調(diào)節(jié)閥多用于電站、石化、化工行業(yè)及其他高參數(shù)工況下，工作介質(zhì)多為高溫水或過熱蒸汽。通液體時(shí)流向?yàn)閺挠蚁蜃?，液體由套筒外側(cè)流向內(nèi)側(cè)；通氣體時(shí)流向?yàn)閺淖笾劣遥瑲怏w由套筒內(nèi)側(cè)流向外側(cè)。由于多級(jí)套筒的作用，流體在通過閥體時(shí)要經(jīng)歷一個(gè)多次逐級(jí)降壓的過程，流體每通過一層套筒壓力就會(huì)下降一次。多級(jí)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(nèi)，有效地避免和減輕閃蒸空化現(xiàn)象的發(fā)生以及高速流體對(duì)閥門部件的沖蝕，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)閥的使用壽命，并保證設(shè)備與系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

圖1 多級(jí)套筒式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)示意

    2 多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的數(shù)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(duì)調(diào)節(jié)閥腔內(nèi)部流道建立模型。整體模型由外部閥腔流道與內(nèi)部套筒流道兩部分裝配組成，所建實(shí)體模型準(zhǔn)確地反映了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。同時(shí)，為使模擬計(jì)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(wěn)定均勻，對(duì)閥門內(nèi)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(nèi)流道模型示意

    2.2 數(shù)值模擬過程控制方程組建立

    在模擬實(shí)驗(yàn)過程中，調(diào)節(jié)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(nèi)的定常不可壓縮流動(dòng)的方程如下：

    連續(xù)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(biāo)系坐標(biāo)，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(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；υt———渦黏性系數(shù)，υt＝Cμk2/ε；P———紊動(dòng)能生成項(xiàng)，其表達(dá)式為

    k-ε模型中系數(shù)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(biāo)。

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

    2.3 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果分析

    為了保證計(jì)算精度，采用以結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性網(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)格進(jìn)行劃分，中間多級(jí)套筒部分的流體通道因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)比較復(fù)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(jì)算結(jié)果更加精確，對(duì)每一層套筒中的小孔都分別進(jìn)行了加密處理。由于計(jì)算模型是對(duì)稱的，因而取其50%進(jìn)行模擬計(jì)算，以減少網(wǎng)格數(shù)目、節(jié)省計(jì)算時(shí)間；以連續(xù)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(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬的控制方程組，采用有限體積法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散；根據(jù)廠方提供的系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際工況參數(shù)，該次計(jì)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(diào)節(jié)閥進(jìn)、出口壓力分布比較均勻，套筒中壓力逐級(jí)穩(wěn)定下降，在閥體下腔與出口直管段處有局部低壓區(qū)域，如A處所示。此工況下，局部最大壓力為7.17MPa，分布在閥門進(jìn)口與最外側(cè)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(nèi)速度分布比較均勻，出口端因受套筒節(jié)流效應(yīng)及閥體流道結(jié)構(gòu)影響速度分布較不均勻。套筒內(nèi)速度由外向內(nèi)逐級(jí)上升，在7MPa壓差的工況下，在最內(nèi)側(cè)套筒中速度達(dá)到最大，如B處所示。在入口段及出口段流道拐角處出現(xiàn)了幾處范圍很小的閥門死區(qū)，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

    閥內(nèi)流體跡線分布如圖5所示，跡線是單個(gè)質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的流動(dòng)軌跡線，是拉格朗日法描述流動(dòng)的一種方法，閥內(nèi)流體跡線在進(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(jié)構(gòu)特點(diǎn)流體分布較不均勻，如C處所示。

圖5 閥內(nèi)流體跡線分布示意

    3　流量特性研究

    3.1 閥門流量系數(shù)模擬計(jì)算

    閥門的流量系數(shù)是用于說明規(guī)定條件下調(diào)節(jié)閥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)。該項(xiàng)目所求CV為非國(guó)際單位制的調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)，在國(guó)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(nèi)流過調(diào)節(jié)閥的體積。

        （6）

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

    根據(jù)GB/T17213.9—2005《工業(yè)過程控制閥》第2-3部分：流通能力實(shí)驗(yàn)程序中對(duì)流量系數(shù)的規(guī)定：在實(shí)驗(yàn)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(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1所列。

表1 100%開度流量系數(shù)數(shù)據(jù)

    取三組數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，得：

    CV＝（CV1+CV2+CV3）/3＝102.93

    說明該多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的CV值約為103，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

    3.2 不同開度下的流量系數(shù)曲線擬合

    同理可計(jì)算出不同開度下多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，得出數(shù)據(jù)見表2所列。

表2 不同開度流量系數(shù)數(shù)據(jù)

    根據(jù)表2中所得數(shù)據(jù)，擬合閥門流量特性曲線如圖6所示：

圖6 多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥流量特性曲線

    由圖6可見隨著調(diào)節(jié)閥開度的減小，流體所受阻滯作用增大，通過閥門的流體流量減小，閥門的流量系數(shù)也隨之降低，流量特性曲線基本符合線性分布。

    4 結(jié)束語(yǔ)

    1）應(yīng)用CFD軟件對(duì)該調(diào)節(jié)閥閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行三維湍流數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)果表明：多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥進(jìn)、出口壓力分布均勻，最大壓力7.17MPa，分布在閥門進(jìn)口與最外側(cè)套筒處，套筒中壓力逐級(jí)穩(wěn)定下降，在閥體下腔與出口直管段處有局部低壓區(qū)域；套筒內(nèi)流速由外向內(nèi)逐級(jí)上升，在最內(nèi)側(cè)套筒中流速達(dá)到最大，第一級(jí)套筒內(nèi)局部最大流速低于常規(guī)閥門的最大流速，并且在多級(jí)套筒中流體壓力的降低與流速的增大都實(shí)現(xiàn)了逐級(jí)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(shè)計(jì)過程中引入了CFD仿真實(shí)驗(yàn)，能夠精確地計(jì)算出多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，大幅提高了一次樣機(jī)試制的成功率，縮短了開發(fā)周期，降低了成本，為多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)與研究提供進(jìn)一步的參考。