運用PHOENICS流體計算軟件，建立了錐閥的物理結構和參數(shù)的計算幾何模型。采用了結構化正交局部加密網(wǎng)格，應用了k-ε湍流計算模型，對外流式錐閥的內部流場進行了模擬仿真，給出了優(yōu)化方案。并對其進行了CFD驗證，研究了流量變化、開啟度變化對錐閥流場特性的影響。研究結果對于分析錐閥的性能、進行流道的結構優(yōu)化和實際工程應用都具有一定的指導作用。

　　錐閥具有密封性能好、過流能力強、響應快、抗污染能力強等特點，已經(jīng)獲得了廣泛的應用。流體在錐閥中的實際流動情況是十分復雜的，同時對錐閥的各種性能都會產(chǎn)生重大影響，其中包括能量利用率、作用于閥芯上的動力、流體的噪聲等。所以，運用數(shù)值模擬方法對錐閥內部流場進行解析和了解錐閥內部流場的特性就顯得相當重要了。

1、模型建立

　　1.1、幾何模型

　　外流式錐閥主要是由閥座和閥芯組成。尺寸為：d=10mm，d1=d2=100mm，d3=15mm，d5=30mm，d6=30mm，α=45°，k為開度(見圖1)。

圖1 外流式錐閥的結構簡圖

　　對此模型的相關假設如下：(1)流體為不可壓縮流體，即

，ρ為流體密度;

　　(2)假定錐閥閥芯與閥套配合精確，沒有徑向間歇，無泄漏;

　　(3)不考慮流體質量力的影響;

　　(4)假定系統(tǒng)內部流體無熱傳導現(xiàn)象;

　　(5)壁面處無滑移，即固定壁面處速度為零;

　　(6)流k-ε動狀態(tài)為湍流，采用標準湍流模型。

　　1.2、數(shù)學模型基本計算公式如下：

　　湍流基本方程：

(1)

　　湍動能k：

(2)

(3)

　　湍流耗散率ε：

(4)

　　流量系數(shù)cd：

(5)

　　式中：A(k)—閥口的過流面積;

　　Q—流量;

　　ρ—流體密度;

　　Δp—進出口的壓力差;

　　k—閥口開度;

　　α—錐閥的半錐角;

　　d—閥入口處直徑。

2、計算網(wǎng)格與邊界條件

　　2.1、計算網(wǎng)格

　　在PHOENICS的VR編輯器中建立計算的模型，選擇柱坐標系，點擊Menu(主菜單)中的Geome-try按鈕，在GridMeshSettings對話框中設置流場區(qū)域尺寸與網(wǎng)格分布，X方向設置為0.5，Y方向設置為0.035m，Z方向設置為0.2m。X方向的網(wǎng)格設置為1，Y方向的網(wǎng)格設置為80，Z方向的網(wǎng)格設置為200，網(wǎng)格節(jié)點為1600個。計算次數(shù)設置為40000次，經(jīng)過反復試算，松弛因子為0.5時，收斂效果最佳(見圖2)。

圖2 計算網(wǎng)格示意圖

　　2.2、邊界條件

　　基于流動的復雜性，我們對模擬流場進行了簡化設置：此流場采用柱坐標系，X方向表示弧度，Y方向表示錐閥的軸向，Z方向分別表示錐閥的徑向;流場內的流體為牛頓流體、流態(tài)為湍流，其中流體設為1atm下0℃的水。進、出口邊界設為速度入口和壓力出口，出口壓力設為0。

3、模擬結果和改善

　　3.1、不同進口速度仿真結果

　　為了說明在閥口開度相同時，流量變化對外流式錐閥內部流場的影響。本文模擬了流量為20L/min時閥內流場情況，X軸表示距入口距離用L，Y軸表示壓力的變化值，用P表示(見圖3，4)。

圖3 流量為20L/min的速度矢量圖

圖4 流量為20L/min的速度等值圖

圖5 開度為5mm速度矢量圖

　　3.2、不同閥口開度的模擬結果

　　為了了解開度對外流式錐閥內部流場的影響，本文模擬了進口速度相同即流量相40L/min時，錐閥開度5mm時的閥內流場情況(見圖5，圖6)。

圖6 開度為5mm速度等值圖

　　3.3、外流式錐閥的結構優(yōu)化

　　從理論分析可知，漩渦的存在是各種閥類能量損失和噪音主要原因之一。從分析模擬計算結果來看，在外流式錐閥流道內形成了兩個主要的漩渦，它們對外流式錐閥的能量損失和噪音產(chǎn)生起到到很大的作用。

　　為了減小漩渦一，可以改變外流式錐閥的閥座結構，即改變K的大小;

　　為了消除漩渦二，可以改變錐閥閥芯的結構，消除漩渦的存在區(qū)域，即改變d大小。

圖7 開度、流量與流量系數(shù)的關系圖

　　3.4、流量系數(shù)的計算

　　流量系數(shù)值是指單位時間內、在測試條件中管道保持恒定的壓力，管道介質流經(jīng)閥門的體積流量，或是質量流量，即閥門的最大流通能力。閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標，流量系數(shù)值大，說明閥門的流通能力大，流體流過閥門時的壓力損失小(見圖7，圖8)。

圖8 優(yōu)化前后的流量系數(shù)對比圖

　　如圖7所示，流量一定時，隨著閥口的開度增加，流量系數(shù)減少;當開度一定時，流量越大，流量系數(shù)越大。當開度增加到一定值時，隨著開度的增加，壓力變化不再明顯，流量系數(shù)趨于平穩(wěn)。閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標，流量系數(shù)值大，閥門的流通能力大，流體流過閥門時的壓力損失小。而圖8中顯示在相同的條件下，優(yōu)化后的流量系數(shù)比優(yōu)化前的流量系數(shù)大。優(yōu)化后的錐閥的流通能力大，壓力損失小，所以錐閥的優(yōu)化方案是可行的。

4、結論

　　(1)利用PHOENICS軟件對外流式錐閥的內部流場進行了數(shù)值模擬，分析了開度、流量變化對錐閥流動特性的影響。可知：流體在通過錐閥節(jié)流口處時，流速增加，壓力減小;在閥芯和閥座的拐角處產(chǎn)生了漩渦，能量損失與漩渦的區(qū)域的強度、大小和過流斷面的面積有關;在流量一定時，閥的開度增加，漩渦強度加大，噪音和能量損失增加;在開度一定時，流量增加，壓差加大，漩渦區(qū)域越明顯。

　　(2)根據(jù)對模擬結果的分析，提出了錐閥的一種優(yōu)化結構，即消除錐閥閥芯結構上的凹角、將閥座拐角處由直角轉變?yōu)榈菇牵�并對其進行CFD解析，驗證了錐閥優(yōu)化方向的可行性。

　　(3)計算了錐閥在不同流量不同開度下的流量系數(shù)，得到了流量系數(shù)和開度、流量之間的關系：在其他條件不變時，流量越大流量系數(shù)越大，即閥的流通能力越大;在其他條件不變時，流量系數(shù)隨著開啟度的增減而減小，當開啟度增加到一定值時，流量系數(shù)趨于平穩(wěn)。

　　(4)計算了錐閥優(yōu)化前后的流量系數(shù)，結果表明：在相同條件下，優(yōu)化后的錐閥流量系數(shù)比優(yōu)化前的流量系數(shù)大，即優(yōu)化后的錐閥流通能力大，壓力損失小。