該文以航天煤化工系統(tǒng)中的某型號(hào)籠式調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，應(yīng)用CFD數(shù)值模擬方法研究了調(diào)節(jié)閥的內(nèi)流場(chǎng)特性。通過(guò)模擬給定壓差下閥門不同開度的流量特性，得到調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線，并與試驗(yàn)測(cè)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，模擬值與試驗(yàn)值吻合較好。根據(jù)流場(chǎng)特性對(duì)流道做了優(yōu)化并對(duì)新結(jié)構(gòu)做了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，優(yōu)化后的流道流阻減小、渦流強(qiáng)度減弱、進(jìn)而減少了能量損失。

引言

　　調(diào)節(jié)閥又稱為控制閥，是過(guò)程控制系統(tǒng)中用動(dòng)力操作去改變流體流量的裝置，隨著自動(dòng)化程度的不斷提高，調(diào)節(jié)閥已廣泛地應(yīng)用于冶金、電力、化工、石油等領(lǐng)域。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，一個(gè)工藝過(guò)程的控制是否平穩(wěn)，超調(diào)量、衰減比，擾動(dòng)是否在規(guī)定的范圍內(nèi)，除了工藝設(shè)計(jì)合理、設(shè)備先進(jìn)外，重要的一點(diǎn)就是調(diào)節(jié)閥能否按照主體控制意識(shí)準(zhǔn)確動(dòng)作，從而精確地改變物料或能量。如果調(diào)節(jié)閥的流量特性差、滲漏大、動(dòng)作不可靠，就會(huì)使自動(dòng)控制過(guò)程的質(zhì)量變差，甚至失去調(diào)節(jié)作用，從而增加了勞動(dòng)強(qiáng)度，給生產(chǎn)帶來(lái)重大的經(jīng)濟(jì)損失。而航天煤化工系統(tǒng)中的主氧路氧氣調(diào)節(jié)閥，系統(tǒng)對(duì)其調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性，可靠性及靈敏度有著更高的要求。因此，調(diào)節(jié)閥性能的提高對(duì)流程工藝效益的提高以及能源消耗的降低有著重要作用。近年來(lái)，隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(簡(jiǎn)稱CFD)軟件的發(fā)展，通過(guò)CFD數(shù)值模擬來(lái)研究調(diào)節(jié)閥的流量特性并用來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在閥門行業(yè)已開始應(yīng)用。CFD技術(shù)在閥門設(shè)計(jì)中的應(yīng)用使得閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨于合理，更有助于我國(guó)閥門行業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品，加快縮小與國(guó)外差距的步伐。

1、調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及流道模型的建立

　　文中以航天煤化工系統(tǒng)中的主氧路氧氣調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，其為籠式單座調(diào)節(jié)閥。該模型簡(jiǎn)化后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，公稱通徑為80mm，總長(zhǎng)為337mm。流體的流動(dòng)方向?yàn)橛疫M(jìn)左出，通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯的行程，來(lái)改變閥籠的流通面積，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。利用三維建模軟件Solidworks，根據(jù)流道的幾何尺寸以及閥芯與閥座的裝配關(guān)系，對(duì)不同開度下的流體流道分別進(jìn)行三維建模，為使流體流動(dòng)更充分，閥前后流道均延長(zhǎng)1000mm。圖2所示為該調(diào)節(jié)閥流體流道的三維模型。

圖1 調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖2 調(diào)節(jié)閥流道三維模型圖

2、數(shù)學(xué)模型

　　2.1、控制方程

　　研究過(guò)程中合理假定調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體介質(zhì)為不可壓縮的黏性流體。無(wú)熱能交換，不可壓縮黏性流體控制方程由質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)和動(dòng)量守恒方程(N-S方程)組成，分別為：

　　質(zhì)量守恒方程：

(1)

　　其中，u，v，w 分別是三個(gè)方向的速度矢量。

　　動(dòng)量守恒方程(N-S 方程) ：

(2)

(3)

(4)

　　其中，p，ρ，μ分別是壓力、密度、動(dòng)力黏度。

　　2.2、標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型

　　研究過(guò)程中湍流模型設(shè)定為工程中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。

　　在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，紊流動(dòng)能k方程和耗散ε方程分別為：(5) (6) 在上述方程中，Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;Gb是用于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生;YM為可壓速湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;湍流粘性系數(shù) ;C1ε，C2ε為常數(shù)。

3、數(shù)值模擬

　　將三維幾何模型導(dǎo)入GAMBIT進(jìn)行計(jì)算前的處理工作。確定了計(jì)算域之后，用GAMBIT對(duì)其進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，流道網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，劃分后網(wǎng)格數(shù)為100萬(wàn)左右。其中，調(diào)節(jié)閥開度為90%的流道網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 調(diào)節(jié)閥開度90%時(shí)的流道網(wǎng)格劃分示意圖

　　選取該調(diào)節(jié)閥從10%～90% 到全開十個(gè)開度進(jìn)行數(shù)值模擬。

　　將GAMBIT導(dǎo)出的網(wǎng)格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程及模型(選用k-ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型)，設(shè)置流體為水，設(shè)置進(jìn)出口的邊界條件分別為：入口壓力p1=100kPa，出口壓力p2=0kPa。進(jìn)行流場(chǎng)初始化，設(shè)定控制參數(shù)及定義迭代次數(shù)后就可以進(jìn)行求解。

4、結(jié)果分析

　　4.1、不同開度下流量特性模擬數(shù)據(jù)與液流試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

　　流量特性是指介質(zhì)流過(guò)閥門的相對(duì)流量與相對(duì)開度的關(guān)系。調(diào)節(jié)閥的流量特性是調(diào)節(jié)閥最重要的指標(biāo)之一，在閥前后壓差不變時(shí)得到的是理想流量特性。流量系數(shù)為Kv，定義為：

(7)

　　式中：Q為流量，m3/h;Δp為閥前后壓差，kPa;ρ/ρ0為相對(duì)密度(規(guī)定范圍內(nèi)的水ρ/ρ0 =1)。

　　取閥前后壓差為100kPa，由流量系數(shù)定義式可以推算出該壓差下Kv=Q。將模擬所得的流量系數(shù)與通過(guò)液流試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比(表1)，并將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如圖4所示。從圖4可以看出，數(shù)值模擬曲線和實(shí)際測(cè)量值曲線基本吻合，趨勢(shì)基本一致。通過(guò)比較，可以看出通過(guò)模擬所得的該調(diào)節(jié)閥的流量特性是可靠的，為調(diào)節(jié)閥的流道優(yōu)化提供了依據(jù)。

表1 調(diào)節(jié)閥不同開度下流量模擬值與實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)表

　　據(jù)此，在產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)初期，可以運(yùn)用數(shù)值模擬進(jìn)行設(shè)計(jì)方案預(yù)選，進(jìn)行調(diào)節(jié)閥從關(guān)閉到全開啟范圍的三維真實(shí)工作參數(shù)和介質(zhì)的模擬，提供全面完整的流場(chǎng)信息，為改善閥門穩(wěn)定性提供參考。后期待產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成再輔以少量試驗(yàn)來(lái)校核確定方案，從而避免帶有盲目性的大量試驗(yàn)。

圖4 調(diào)節(jié)閥流量特性模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線

　　運(yùn)用CFD數(shù)值模擬方法進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)，比以往設(shè)計(jì)過(guò)程(參見(jiàn)圖5所示流程圖) 更自由、更靈活，而且可以節(jié)約大量的人力和資金，大大提高研發(fā)設(shè)計(jì)效率。運(yùn)用數(shù)值模擬方法還能對(duì)試驗(yàn)難以量測(cè)的量進(jìn)行較為精確的估計(jì)，提供試驗(yàn)無(wú)法獲得的數(shù)據(jù)，并能模擬較復(fù)雜或較理想的工況，拓寬試驗(yàn)研究的范圍。

圖5 調(diào)節(jié)閥傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程流程圖

　　4.2、不同開度下流場(chǎng)分析

　　由于該調(diào)節(jié)閥的固有流量特性為等百分比，主要工作區(qū)間為開度10%～90%，本文選取40%和90%兩個(gè)典型開度進(jìn)行重點(diǎn)分析。

　　在進(jìn)出口壓差為100kPa條件下，取該調(diào)節(jié)閥的全部流道和對(duì)稱面進(jìn)行分析，研究其內(nèi)部的流場(chǎng)分布情況。

　　1)開度90%時(shí)流場(chǎng)分析

　　圖6為對(duì)稱面上壓力云圖，圖7為對(duì)稱面上速度矢量圖。

圖6 調(diào)節(jié)閥開度90%時(shí)對(duì)稱面上壓力云圖

圖7 調(diào)節(jié)閥開度90%時(shí)對(duì)稱面上速度矢量圖

　　從圖6可以看出，進(jìn)、出口壓力較為均勻，分別在100kPa和0左右，進(jìn)出口壓差較大，該壓差主要用于克服調(diào)節(jié)閥流道內(nèi)的阻力。在水流經(jīng)過(guò)閥芯處有減壓增速的效果。從圖7中可以看出，進(jìn)口流速比較均勻，出口流速分布不均勻。總體看沒(méi)有很明顯的渦流，只是在閥道左下部(見(jiàn)圖7)，有小部分渦動(dòng)，可以考慮對(duì)此處流道進(jìn)行優(yōu)化。

　　2) 開度40%時(shí)流場(chǎng)分析

　　圖8為調(diào)節(jié)閥開度40%時(shí)對(duì)稱面上的壓力云圖，圖9為開度40%時(shí)對(duì)稱面上速度矢量圖。

圖8 調(diào)節(jié)閥開度40%時(shí)壓力云圖

圖9 調(diào)節(jié)閥開度數(shù)0%時(shí)對(duì)稱面上速度矢量圖

　　從圖8，圖9可以看出，與90%開度時(shí)類似，40%開度下在水流經(jīng)過(guò)閥芯處有減壓增速效果，但90%開度時(shí)閥芯處水流速度的變化更加明顯，高速流區(qū)域更大;相比90%開度時(shí)，在40%開度下，由于閥芯處過(guò)流面積較小，減壓增速所涉及的流域小，因此速度強(qiáng)烈波動(dòng)影響的范圍相對(duì)較小，并且在出口處流速更趨于均勻。由于開度減小，進(jìn)口和出口處的流速相對(duì)有所減小。

　　在40%開度下，在閥道左上部、右上部和右下部以及閥芯處有明顯渦流出現(xiàn)。渦流的出現(xiàn)會(huì)消耗流體的能量，增大阻力系數(shù)。因此，要對(duì)出現(xiàn)渦流處的流道進(jìn)行優(yōu)化，以減少或進(jìn)一步避免漩渦產(chǎn)生，減少能量損耗，提高流量系數(shù)。

5、調(diào)節(jié)閥流道改進(jìn)優(yōu)化

　　在閥門流道內(nèi)產(chǎn)生的漩渦形成劇烈紊動(dòng)的分離回流區(qū)是水頭損失的主要原因。前文中對(duì)該閥體內(nèi)流場(chǎng)數(shù)值模擬的結(jié)果表明該流道有待優(yōu)化。流道中漩渦出現(xiàn)的部位需進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，使介質(zhì)進(jìn)入閥體后流線圓滑，并且在拐彎處適當(dāng)減速，盡量避免折流。流道改進(jìn)后的調(diào)節(jié)閥模型如圖10所示。

圖10 流道改進(jìn)后的調(diào)節(jié)閥模型

　　5.1 優(yōu)化后不同開度下流量特性模擬數(shù)據(jù)與液流試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

　　仍以進(jìn)出口壓差為100kPa為條件，對(duì)改進(jìn)后調(diào)節(jié)閥從10%～30%到全開等10個(gè)開度進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬所得的流量系數(shù)與通過(guò)液流試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，如表2所示，將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合如圖11所示。從圖11可以看出，數(shù)值模擬曲線和實(shí)際測(cè)量值曲線吻合較好。

表2 調(diào)節(jié)閥優(yōu)化后不同開度下流量模擬值與實(shí)測(cè)值數(shù)據(jù)表

圖11 優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥流量特性模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比曲線

　　5.2 優(yōu)化前后流場(chǎng)特性對(duì)比

　　圖12所示為調(diào)節(jié)閥流道優(yōu)化前后流量系數(shù)實(shí)測(cè)值對(duì)比，圖13所示為40%開度下，優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥的對(duì)稱面速度矢量圖。

圖12 流道優(yōu)化前后實(shí)測(cè)值對(duì)比

　　由圖12擬合曲線可以看出經(jīng)優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)有了提高。將圖13與圖9進(jìn)行對(duì)比可以明顯看出優(yōu)化后流道左上部的渦流強(qiáng)度減弱了很多，流道右上部渦流也有減弱。但由于結(jié)構(gòu)的限制，對(duì)該閥體流道沒(méi)有做大的改動(dòng)，后續(xù)可以設(shè)計(jì)流線型的閥體流道，從而使閥門的流阻更小。

圖13 改進(jìn)后調(diào)節(jié)閥開度40%時(shí)對(duì)稱面速度矢量圖

　　上述結(jié)果表明，增大閥門流動(dòng)死角處的過(guò)渡圓角，可降低產(chǎn)生漩渦的可能性，并且能夠使流場(chǎng)內(nèi)的壓力速度分布更趨于均勻，而且，閥芯處劇烈的減壓增速區(qū)域明顯后移，降低了流體對(duì)閥芯的沖蝕。可見(jiàn)，對(duì)閥門流道模型的數(shù)值模擬分析，可以方便地找出流道的不足之處并能有效的進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，使閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更趨于合理。

6、結(jié)論

　　(1)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的模擬值和試驗(yàn)值吻合較好，表明CFD完全適用于調(diào)節(jié)閥的流場(chǎng)分析;

　　(2)通過(guò)數(shù)值模擬，得到了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流體的流動(dòng)情況： 速度場(chǎng)分布、壓力場(chǎng)分布、流線走向、渦流等。調(diào)節(jié)閥傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念是先初步設(shè)計(jì)出樣品，通過(guò)5至6次的液流試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)閥門的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行反復(fù)修正，最終得出合理的閥門流量曲線，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品定型; 而基于CFD的調(diào)節(jié)閥輔助設(shè)計(jì)方法，改變了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)理念，經(jīng)過(guò)CFD優(yōu)化后的產(chǎn)品只需通過(guò)1至2次液流試驗(yàn)作為對(duì)設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，就能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定型，從而大幅度縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)省成本。綜上所述，基于CFD的調(diào)節(jié)閥輔助設(shè)計(jì)方法，在突破國(guó)外產(chǎn)品在高壓氧氣調(diào)節(jié)閥的壟斷方面，發(fā)揮了重要作用。

　　應(yīng)用這種先進(jìn)理念研發(fā)設(shè)計(jì)出的3″主氧路氧氣調(diào)節(jié)閥已經(jīng)在魯西化工等煤化工生產(chǎn)線上使用，調(diào)節(jié)開度在30%-60% ，流量調(diào)節(jié)精確穩(wěn)定，產(chǎn)品性能達(dá)到世界一流水平，能夠完全替代進(jìn)口產(chǎn)品，填補(bǔ)了當(dāng)前國(guó)內(nèi)氧路調(diào)節(jié)閥的空白。