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(yùn)輸過(guò)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(yùn)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(gè)領(lǐng)域。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。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(qiáng)烈的振動(dòng)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(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)，給工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的安全高效運(yùn)行帶來(lái)諸多問(wèn)題，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重事故。因此，在高壓差條件下開(kāi)發(fā)特殊的調(diào)節(jié)閥具有重要意義。

本文介紹了多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作過(guò)程。流體力學(xué)的應(yīng)用計(jì)算（CFD）該軟件模擬了多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)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(shí)驗(yàn)方法可獲得多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的CV和流量特性曲線，提高樣機(jī)試制成功率，縮短開(kāi)發(fā)周期，避免經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或?qū)嶋H試驗(yàn)引起的周期和成本增加，為多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)和研究提供進(jìn)一步參考。

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

開(kāi)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。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(guò)熱蒸汽。液體從右到左流動(dòng)，液體從套筒外流動(dòng)到內(nèi)；氣體從左到右流動(dòng)，氣體從套筒內(nèi)流動(dòng)到外流動(dòng)。由于多級(jí)套筒的作用，流體通過(guò)閥體經(jīng)歷多次逐步降壓過(guò)程，每層套筒壓力下降一次。多級(jí)套筒作為閥門(mén)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(duì)閥門(mén)部件的侵蝕，延長(zhǎng)調(diào)節(jié)閥的使用壽命，保證設(shè)備和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

圖1

2 多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥流場(chǎng)的數(shù)值模擬

2.建立1 流道實(shí)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(shí)際情況。同時(shí)，為了充分進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)流道兩端的流動(dòng)，進(jìn)出口表面的流動(dòng)穩(wěn)定均勻，閥門(mén)內(nèi)部流道模型的進(jìn)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(guò)程控制方程組

在模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，調(diào)節(jié)閥流體通道中的實(shí)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(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：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(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)；υ_t———渦粘性系數(shù)，υ_t＝Cμk²/ε；P———表達(dá)式為紊動(dòng)能生成項(xiàng)

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(chǎng)出口:流場(chǎng)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(wú)滑動(dòng)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(jì)算和結(jié)果分析

為保證計(jì)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(jí)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(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，每層套筒中的孔分別加密。由于計(jì)算模型對(duì)稱，模擬計(jì)算的50%，以減少網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)省計(jì)算時(shí)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(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

如圖3所示，可以看出調(diào)節(jié)閥進(jìn)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(mén)進(jìn)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(chǎng)分析

速度分布如圖4所示。入口端和閥腔的速度分布相對(duì)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(gè)小閥門(mén)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(shí)間內(nèi)單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)軌跡線。這是拉格朗日法描述流動(dòng)的一種方法。閥內(nèi)流體痕跡線在進(jìn)口處均勻，套筒進(jìn)入閥體下腔時(shí)分布集中。由于流道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，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(mén)流量系數(shù)模擬計(jì)算

閥門(mén)的流量系數(shù)是指在規(guī)定條件下調(diào)節(jié)閥門(mén)流通能力的基本系數(shù)，是工業(yè)閥門(mén)的重要工藝參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。項(xiàng)目要求C_V國(guó)際上廣泛應(yīng)用于非國(guó)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(shí)，常溫條件下的水在一定時(shí)間內(nèi)流過(guò)調(diào)節(jié)閥的體積。

   （6）

式中：q_v——體積流量，m³/h；G——實(shí)驗(yàn)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(guò)程控制閥》第2-3部分:流量系數(shù)在流通能力實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的規(guī)定:實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)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(shuō)明多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥C_V值約103，能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 擬合不同開(kāi)度下的流量系數(shù)曲線

同樣，可以計(jì)算出不同開(kāi)度下多級(jí)套筒調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，數(shù)據(jù)見(jiàn)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(kāi)度的降低，流體的阻塞性增加，閥門(mén)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(yǔ)

1）應(yīng)用CFD該軟件模擬了調(diào)節(jié)閥內(nèi)流場(chǎng)的三維湍流值。結(jié)果表明，多級(jí)套壓力分布均勻，最大壓力為7.17MPa，分布在閥門(mén)進(jìn)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(mén)，多級(jí)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(jì)過(guò)程中引入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(kāi)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。