調(diào)節(jié)閥是工業(yè)自動化調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。隨著電子計算機的迅猛發(fā)展，計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬的優(yōu)越性越來越明顯，我們運用 CFD 通用軟件 FLUENT 對一種角式調(diào)節(jié)閥進行了三維數(shù)值模擬，通過一系列開度下的流量模擬得到了該閥的流量特性曲線，并直觀地顯示出不同流向狀態(tài)下閥門流道內(nèi)部的速度壓力分布和漩渦分布情況，由此進一步分析流向?qū)鞘秸{(diào)節(jié)閥流量特性的影響。
1 角式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分
某一型號角式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)剖視。它由閥桿、上閥蓋、閥芯、閥座和閥體等零部件構(gòu)成。閥體通道成直角，故稱為角式調(diào)節(jié)閥。它具有流通量大、自潔性好等優(yōu)點，適合閥前后壓差不大的高粘流體并要求直角配管的場合。所采用的角式調(diào)節(jié)閥公稱通徑為 25mm，公稱壓力 1.6MPa，理想流量特性為直線特性，額定流量系數(shù)為 15m2，閥芯行程 16mm，可調(diào)比 R=50。
工程中，角式調(diào)節(jié)閥通常選擇流開型(即底進側(cè)出)流向。在進口壓力為 1.6MPa，出口壓力為 1.5MPa 的條件下，該調(diào)節(jié)閥全開時對稱面上的壓力等值線和速度等值線如圖 4、圖 5 所示。從圖中可以看出，進口的壓力和速度都比較均勻;當(dāng)水流通過閥芯與閥座之間的節(jié)流處時，由于流通面積突然減小，壓力減小，速度增大，并且靠近出口一側(cè)的節(jié)流處的速度要明顯大于另一側(cè)，即減壓增速效果明顯;水流通過節(jié)流處后流向出口，壓力和速度又趨向均勻。
閥門開度分別為 100% 和 30% 時流開型流向的對稱面速度矢量見圖 6 和圖 7。從兩圖中可以看出，在閥腔中背對出口的一側(cè)，都產(chǎn)生了明顯的漩禍，這會產(chǎn)生較大的能量損耗，增大阻力系數(shù)。這說明流開型易在閥腔內(nèi)產(chǎn)生漩渦，造成能量損失。應(yīng)用 FLUENT 軟件對該閥門全開流道模型進行了流閉型流向的數(shù)值模擬，得到對稱面上的速度矢量如圖 8 所。從圖 8 可以看出，閥腔內(nèi)幾乎沒有漩渦，說明流閉型流向可大大避免漩渦的產(chǎn)生，減少能耗。
對不同開度的流道模型進行流閉型流向的數(shù)值模擬，得到各開度下的流量系數(shù)見《表 1》。從表中可以看出，相同開度下，流閉型比流開型的流量系數(shù)明顯提高，全開開度時，流量系數(shù)提高了 15.3%。這是由于流閉型閥門流道內(nèi)沒有漩渦產(chǎn)生，減少了能量損耗，提高了流量系數(shù)。從表中還可以看出，隨著閥門開度的減小，流量系數(shù)提高的百分比也隨之減小，10% 開度時流量系數(shù)已不再提高。這是因為，閥門大開度時，流開型流向漩渦處流體的速度大，則動能大，損失的能量多，而流閉型流向幾乎沒有漩禍產(chǎn)生的能量損失，所以流量系數(shù)提高明顯。隨著閥門開度的逐漸減小，流體速度減小，流開型損失的能量也隨之減小，因而 2 種流向的流量系數(shù)逐漸趨于相等。
2 種流向在不同開度下的流量系數(shù)
開度 / %102030405060708090100
流開型 / m21.734.576.989.3611.2012.2413.1413.9714.6915.30
流閉型 / m21.734.687.5610.0812.2413.5015.0515.8416.8117.64
提高百分比 / %—2.408.307.709.3010.3014.5013.4014.4015.30
3 結(jié)論
(1)通過對閥門流量系數(shù)的理論計算和數(shù)值模擬，證明用計算流體力學(xué)軟件所得到的模擬結(jié)果與理論計算基本一致。這將有助于閥門的優(yōu)化設(shè)計，縮短設(shè)計周期，節(jié)省大量成本。
(2)角式調(diào)節(jié)閥通常選用的流開型流向會在閥腔內(nèi)產(chǎn)生漩渦，造成能量損耗。而流閉型流向可避免漩渦產(chǎn)生，減少能耗。
(3)角式調(diào)節(jié)閥選擇流閉型可相對提高流量系數(shù)，尤其在閥門大開度時，流量系數(shù)提高顯著。工程實際中，若閥門經(jīng)常處于較大開度工作時，選擇流閉型的安裝流向，能更好地提高流量系數(shù)。