研究截止閥啟閉過程中的阻力特性，建立閥門的相對開度與壓力損失之間的數(shù)學模型，并借助計算流體動力學軟件fluent，應用動網格技術對閥門的內部流場進行動態(tài)數(shù)值模擬。結果表明：理論值與模擬值之間的相對誤差滿足精度要求，證明此數(shù)學模型在工程實用中的可行性，同時為截止閥及其他閥門的結構設計及優(yōu)化提供理論參考。

　　閥門作為管路系統(tǒng)中的一個重要部件，同時也是產生能量損耗的主要元件，在設計過程中不應只注重閥門的結構型態(tài)而忽視其流態(tài)特性。當流體通過閥道時產生諸如旋渦、水錘、死水區(qū)、二次流等水流現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是影響閥道局部壓力損失的主要因素。真空技術網(http://smsksx.com/)通過分析閥門通徑、流量系數(shù)、流速、阻力系數(shù)等參數(shù)之間的關系，對截止閥流道的流場特點和阻力特性進行研究，得出其相對開度與壓力損失之間的函數(shù)關系，能夠更好地了解截止閥的能耗情況，同時為閥門的結構設計與優(yōu)化提供有效的理論依據(jù)。

　　FLUENT的軟件設計基于CFD軟件群的思想，針對各種復雜流動的物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，在特定領域內使計算速度、穩(wěn)定性和精度等方面達到最佳組合，從而高效率地解決各個領域復雜流動問題的計算。基于計算流體力學理論，利用該軟件對流體流經不同開度截止閥時的流場進行模擬，克服了閥門的幾何特征較復雜、很難掌握其內部流態(tài)等特點，使研究結果可視、直觀化。

1、結構模型

　　1.1、物理模型

　　圖1為J41H型截止閥，該閥的啟閉件是塞形的閥瓣，密封面呈平面或錐面，閥瓣沿閥座的中心線作直線運動。閥體的公稱通徑為DN32，采用不銹鋼材料制成。根據(jù)其結構尺寸參數(shù)，同時考慮到實際數(shù)值模擬的可行性，對模型進行合理的簡化，繪制出用于CFD分析的二維模型，如圖2所示。

圖1 J41H型截止閥

圖2 截止閥模型

　　針對XYZ-100、XYZ-125稀油站系統(tǒng)，使用N150機械油作為流體介質，根據(jù)標準GB443-89查得：N150機械油密度為ρ=900kg/m3;運動黏度為ν=1.5×10-4m2/s;

　　1.2、數(shù)學模型

　　1.2.1、開度與流量系數(shù)

　　在液壓油為不可壓縮液體時可將直通式截止閥的流量特性表示為：

結果分析

　　經運算，得到截止閥在不同流速、不同開度下的壓力、速度流場分布情況，限于篇幅，只給出流速為2.07m/s時的流場分布如圖4、5所示。可以看出：在閥門開度較小時，流體所受阻力較大，入口靜壓很大，而閥門右上側壓力較低，在閥瓣與壁面的微小縫隙中形成了一股高速射流;隨著閥瓣向上運動，流速逐漸趨于穩(wěn)定，射流現(xiàn)象消失，能量損失也相應減小。

圖4 流速為2.07m/s時不同開度下的總壓力分布云圖對比

圖5 流速為2.07m/s時不同開度下的速度分布云圖對比

　　從模擬結果可知：造成壓力損失的主要原因是閥道內部產生旋渦、形成紊流的分離回流區(qū);其次是閥道出口的主流集中在管的上壁，該處流速分布不均勻、流速梯度大。當閥門開度小于20%時流場比較復雜，能量損失較大;當開度大于80%時，流態(tài)比較穩(wěn)定，壓力、速度梯度較小，能量損失也較小。閥門在啟閉過程中受力會發(fā)生較大變化，導致沖擊與振動，易引起閥體的變形與疲勞破壞，設計人員應當給予重視。將模擬計算得到的壓力損失與利用理論公式計算得到的壓力損失進行對比，見表1。

表1 截止閥開度、過流速度及壓力損失關系表

　　可以看出：根據(jù)公式(20)求出的理論壓力損失值與試驗模擬值已很接近，且最大相對誤差不超過6%。同時得到截止閥開度與阻力系數(shù)之間的關系曲線，見圖6，可以看出：隨著開度的不斷增大，截止閥的阻力系數(shù)不斷減小，當開度較小時，截止閥的阻力系數(shù)非常大，流體流過時將產生很大的壓力損失。

圖6 截止閥開度與阻力系數(shù)的關系

　　經分析，產生誤差的原因如下：

　　(1)由于截止閥實際結構復雜，文中在進行物理建模時將截止閥結構簡單化，因此數(shù)值模擬結果與理論計算結果之間存在一定的誤差。

　　(2)理論數(shù)學模型中的k0、k值不能準確確定，只能靠手冊查取;流體的黏度、溫度、壓力等參數(shù)在相對開度變化時也會發(fā)生變化。

　　(3)該理論計算公式的推導排除了一切外在影響，包括流體間的相互擾動，以及流場間壓差的相互干擾等;而計算機數(shù)值模擬是通過有限元計算模擬了流體的真實流動，接近于實際運動情況。基于上述原因，誤差的存在是難以避免的。由于誤差在6%以內，故認為所提出的理論計算方法所得結果與模擬實驗結果基本吻合，表明所建數(shù)學模型準確可行。

4、結論

　　(1)根據(jù)截止閥的流量特性，運用數(shù)學方法推導出相對開度、流速、公稱通徑、壓力損失之間的數(shù)學模型，避開了通過研究截止閥內部復雜結構來分析閥門相對開度、流速、壓力損失之間的關系，從側面將復雜問題解決。

　　(2)采用CFD技術對截止閥二維模型內部流場特性作數(shù)值模擬，得到各種參數(shù)的分布云圖和數(shù)據(jù)，同時運用動網格技術更真實、連續(xù)地模擬出閥瓣啟閉過程中的液流流動情況，解決了穩(wěn)態(tài)分析不能求解的問題，在節(jié)約實驗成本的同時還得到了更為有效直觀的實驗結果。

　　(3)通過將數(shù)值模擬試驗得到的結果與理論計算結果進行對比分析，結合實際工程應用中的經驗，證明此數(shù)學模型對截止閥的結構設計及優(yōu)化具有一定的參考意義。