阀口形状对套筒调节阀调控特性的影响

为了满足管道系统调节性能的要求，本文基于计算流体力学（CFD），研究了阀口节流截面形状对套筒调节阀调控的影响。讨论了椭圆型阀口、V 型阀口和扇形阀口 3 种类型的节流阀。结果表明，流道的几何形状对流量系数影响很大；V 形阀口具有类似的等百分比流量特性；扇形阀口具有类似的线性流动特性。相对特性随截面形状的变化而变化。在小开口时，阀门的内部流动更为复杂。阀芯附近的能量损失相对较大。

符号说明

ρ--流体密度，kg/m3；
U--速度，m/s；
τij--平均流动的黏性剪切应力；
τij′--由速度波动引起的雷诺应力； d ——阀门进出口直径，m；
D ——管道直径，m；
G ——能量传递速率，W/（K•s）； k ——湍动能，J； K ——流量系数；
P ——静压值，Pa；
Q ——体积流量，m3/h； β——常量，β =0.09；
Δp ——压差，Pa；
ε——湍动能耗散率，%;
κ ——熵产指数；
i，j ——下标，笛卡尔坐标系中的 3 个方向。

引言

控制阀主要用于控制管道系统中的流体流动。 套筒调节阀是控制阀门的一种，其特点是内部结构复杂，流量特性由流通截面决定。但是，单流量特性的限制了阀门的使用范围，对套筒调节阀不同节流段的流量特性进行研究，可以为调节阀的优化提供参考。

Guillermo 等［1］，使用计算流体动力学（CFD）评估了几何形状对3D 控制阀性能的影响。Bruce 等 [2]提出了一个模型测试程序，该程序可用来确定闸阀噪声源。Jazi 等［3］研究了阀座几何形状引起的空化声学波形，对识别球阀内的空化具有很［4］开发了一种用于不同类型和扇形阀口（如图 2 所示）型液压阀的流动参数化建模的方法。

Claudio［5］研究了通过球阀和闸阀的流量，并改进了两相流条件下的压降计算模型。Dazhuan 等 6 引入 CFD 方法拟合压力控制阀的流量 压力曲线，通过实验验证了仿真结果的准确性。 Garcia-Sandoval 等［7］利用热力学对阀内熵产生的 Lyapunov 候选函数进行了分析，并提出了一种基于阀内熵产生的系统。计算流体动力学（CFD）技术是分析流体机［ ］械内部流场的一种成熟方法 8-11 。本文采用基于有限体积法的商业软件 FLUENT 分析了套筒调节阀内部流动特性和相关系数。

1 数值模拟方法

湍流被认为是具有不规则旋转的高度复杂的三维非定常流动。使用标准 k-ε 湍流模型，基本控制方程主要由连续性方程和 Navier-Stokes 方程组成。 连续性方程［12］可以写成：

Navier-Stokes 方程［13］可以表示为：

计算网格如图 3 所示。为了提高仿真效率，采用了结构网格与非结构网格相结合的混合网格技术，引用 SIMPLEC 算法以提高计算精度，上游和下游管道长度为 10D（D，管道的直径），不同开度，不同阀口的网格数从 302 万到 315 万不等。为了验证网格数对计算结果的影响，研究了 3 种不同数量的网格。表 1 为网格无关性验证结果，在全开工况下，阀门上游 2D 和下游 6D 之间监测压降。结果表明，当网格数超过 300 万时，压降相似。为了提高计算的效率和精度，数值模拟采用了 300 万网格模型。