引言

調(diào)節(jié)閥，又稱控制閥，是在過程控制系統(tǒng)中通過動力操作改變流體流量的裝置。隨著自動化程度的不斷提高，調(diào)節(jié)閥已廣泛應(yīng)用于冶金、電力、化工、石油等領(lǐng)域。在化工生產(chǎn)過程中，除了合理的工藝設(shè)計和先進的設(shè)備外，重要的是調(diào)節(jié)閥是否能按照主控制意識準(zhǔn)確移動，從而準(zhǔn)確改變材料或能量。如果調(diào)節(jié)閥的流量特性差、泄漏大、動作不可靠，自動控制過程的質(zhì)量就會惡化，甚至失去調(diào)節(jié)效果，從而增加勞動強度，給生產(chǎn)帶來重大的經(jīng)濟損失?？臻g煤化工系統(tǒng)中的主氧路氧氣調(diào)節(jié)閥對其調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性、可靠性和靈敏度有更高的要求。因此，調(diào)節(jié)閥性能的提高對工藝效率的提高和能耗的降低起著重要作用。近年來，隨著流體動力學(xué)的計算（以下簡稱）CFD）通過軟件開發(fā)CFD數(shù)值模擬研究調(diào)節(jié)閥的流量特性，用于優(yōu)化閥門行業(yè)的設(shè)計方案。CFD閥門設(shè)計中技術(shù)的應(yīng)用使閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，更有利于我國閥門行業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品，加快縮小與國外差距的步伐。

建立1 調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)和流道模型

本文以航天煤化工系統(tǒng)主氧路氧氣調(diào)節(jié)閥為研究對象，為籠式單座調(diào)節(jié)閥。模型簡化后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，公稱直徑為80mm，總長為337mm。流體的流向是通過調(diào)整閥芯的行程來改變閥籠的流量面積，從而達到調(diào)整流量的目的。使用三維建模軟件Solidworks，根據(jù)流道的幾何尺寸和閥芯與閥座的組裝關(guān)系，對不同開度下的流體流道進行三維建模。為了使流體流動更充分，閥門前后流道延長1萬mm。圖2顯示了調(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

在研究過程中，合理假設(shè)調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流體介質(zhì)為不可壓縮的粘性流體。無熱交換、不可壓縮粘性流體控制方程由質(zhì)量守恒方程（連續(xù)方程）和動量守恒方程組成（N-S分別由方程組成：

質(zhì)量守恒方程：

   （1）

其中，u，v，w速度矢量分為三個方向。

動量守恒方程（N-S方程）：

   （2）

   （3）

   （4）

其中，p，ρ，μ它們是壓力、密度和動力粘度。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型

湍流模型設(shè)置為工程中廣泛使用的標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型。

在標(biāo)準(zhǔn)k－ε紊流動能在模型中k方程和耗散ε方程分別為：

（5）

   （6）

在上述方程中，G_k表示由平均速度梯度引起的湍動能；G_b用于產(chǎn)生浮力影響引起的湍動能；Y_M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計算前的處理工作。確定計算域后，使用GAMBIT非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分為四面體網(wǎng)格，分為100萬左右。其中，調(diào)節(jié)閥開度90%的流道網(wǎng)格分為圖3所示。

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

從10%~90%到10個開度選擇調(diào)節(jié)閥進行數(shù)值模擬。

將GAMBIT讀入導(dǎo)出的網(wǎng)格文件FLUENT之后，選擇求解器、求解方程和模型(選擇k－ε標(biāo)準(zhǔn)湍流模型)，將流體設(shè)置為水，進出口的邊界條件分別為:入口壓力p₁=100kPa，出口壓力p₂=0kPa。在設(shè)置控制參數(shù)和定義迭代次數(shù)后，可以初始化流場。

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4 結(jié)果分析

4.1 不同開度下流量特性模擬數(shù)據(jù)與液流試驗臺試驗數(shù)據(jù)對比分析

流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對流量和相對開度之間的關(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，當(dāng)閥門前后壓差不變時，得到理想的流量特性。流量系數(shù)為Kv，定義為：

   （7）

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

取閥前后壓差1000kPa，由流量系數(shù)定義可以計算出壓差Kv=Q。將模擬獲得的流量系數(shù)與液流試驗臺的實際測量值（表1）進行比較，并將兩組數(shù)據(jù)擬合如圖4所示。從圖4可以看出，數(shù)值模擬曲線與實際測量值曲線基本一致，趨勢基本一致。通過比較，可以看出通過模擬獲得的調(diào)節(jié)閥的流量特性可靠，為調(diào)節(jié)閥的流道優(yōu)化提供了依據(jù)。

表1 流量模擬值和不同開度下的實測值數(shù)據(jù)表

因此，在產(chǎn)品方案設(shè)計的早期階段，可以使用數(shù)值模擬來預(yù)選設(shè)計方案，模擬從關(guān)閉到全開啟范圍的三維真實工作參數(shù)和介質(zhì)，提供全面完整的流場信息，為提高閥門穩(wěn)定性提供參考。后來，產(chǎn)品設(shè)計完成后，輔以少量測試來驗證確定方案，避免大量盲目測試。

圖4 調(diào)節(jié)閥流量特性模擬值與實測值對比曲線

運用CFD產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計的數(shù)值模擬方法比以往的設(shè)計過程（見圖5所示的流程圖）更自由、更靈活，可以節(jié)省大量的人力和資金，大大提高研發(fā)設(shè)計效率。使用數(shù)值模擬方法還可以更準(zhǔn)確地估計測試中難以測量的數(shù)量，提供測試無法獲得的數(shù)據(jù)，模擬更復(fù)雜或理想的工作條件，擴大測試研究的范圍。

圖5

4.2 不同開度下流場分析

由于調(diào)節(jié)閥的固有流量特性為等百分比，主要工作范圍為開度的10%~90%，本文選取了40%和90%的典型開度進行重點分析。

進出口壓差為100kPa對調(diào)節(jié)閥的所有流道和對稱面進行分析，研究其內(nèi)部流場分布。

1)開度90%時流場分析

圖6為對稱面壓力云圖，圖7為對稱面速度矢量圖。

圖6 調(diào)節(jié)閥開度90%時，對稱表面壓力云圖

圖7 調(diào)節(jié)閥開度90%時，對稱面速度矢量圖

從圖6可以看出，進出口壓力相對均勻，分別為100kPa0左右，進出口壓差較大，主要用于克服調(diào)節(jié)閥流道內(nèi)的阻力。水流通過閥芯有減壓增長的作用。從圖7可以看出，進口流量相對均勻，出口流量分布不均勻。一般來說，沒有明顯的渦流，但在閥的左下部（見圖7），有一小部分渦流，可以考慮優(yōu)化這個流道。

2)開度40%時流場分析

圖8為調(diào)節(jié)閥開度40%時對稱面壓力云圖，開度40%時對稱面速度矢量圖。

圖8 壓力云圖調(diào)節(jié)閥開度40%

圖9

從圖8和圖9可以看出，與90%開度相似，40%開度下的水流通過閥芯有減壓增速作用，但90%開度時，閥芯處的水流速度變化較明顯，高速流面積較大；與90%開度相比，在40%開度下，由于閥芯處的過流面積較小，減壓增速涉及的流域較小，速度波動較大的范圍較小，出口處的流速較均勻。由于開度降低，進出口流速相對降低。

在40%的開度下，閥道左上、右上、右下、閥芯有明顯的渦流。渦流的出現(xiàn)會消耗流體的能量，增加阻力系數(shù)。因此，應(yīng)優(yōu)化渦流處的流道，以減少或進一步避免渦流，減少能量損失，提高流量系數(shù)。

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調(diào)節(jié)閥流道改進優(yōu)化

閥門流道產(chǎn)生的漩渦形成劇烈紊亂的分離回流區(qū)域是水頭損失的主要原因。上述閥體內(nèi)流場數(shù)值模擬的結(jié)果表明，流道需要優(yōu)化。需要設(shè)計和改進流道中漩渦的部分，使介質(zhì)進入閥體后流線光滑，并在拐角處適當(dāng)減速，以避免折疊。流道改進后的調(diào)節(jié)閥模型如圖10所示。

圖10 流道改進后的調(diào)節(jié)閥模型

5.對比分析1 優(yōu)化后不同開度下流量特性的模擬數(shù)據(jù)和液流試驗數(shù)據(jù)

進出口壓差仍為1000kPa為了條件，對改進后的調(diào)節(jié)閥從10%~30%到全開等10個開度進行數(shù)值模擬，將通過液流試驗臺獲得的流量系數(shù)與實際測量值進行比較，如表2所示，如圖所示11.從圖11可以看出，數(shù)值模擬曲線與實際測量值曲線一致。

表2 流量模擬值和實測值表

圖11 優(yōu)化后調(diào)節(jié)閥流量特性模擬值與實測值對比曲線

5.2 優(yōu)化前后流場特性對比

圖12顯示了調(diào)節(jié)閥流道優(yōu)化前后流量系數(shù)的實測值對比，圖13顯示了調(diào)節(jié)閥對稱面速度矢量圖，開度為40%。

圖12

從圖12的擬合曲線可以看出，優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)有所提高。通過將圖13與圖9進行比較，可以清楚地看出，優(yōu)化后流道左上部的渦流強度大大降低，流道右上部的渦流也大大降低。但由于結(jié)構(gòu)的限制，閥體流道變化不大，流線型閥體流道可以隨后設(shè)計，以減少閥門的流阻。

對稱面速度矢量圖13 改進后調(diào)節(jié)閥開度40%

上述結(jié)果表明，增加閥流死角處的過渡圓角可以降低產(chǎn)生漩渦的可能性，使流場內(nèi)的壓力速度分布更加均勻。此外，閥芯處的劇烈減壓增速區(qū)域明顯向后移動，減少了流體對閥芯的侵蝕?？梢钥闯觯ㄟ^對閥流模型的數(shù)值模擬分析，可以輕松發(fā)現(xiàn)流道的不足，有效改進和優(yōu)化，使閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理。

6結(jié)論

(1)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的模擬值與試驗值一致，表明CFD完全適用于調(diào)節(jié)閥的流場分析；

（2）通過數(shù)值模擬，可以得到調(diào)節(jié)閥內(nèi)流體的流動：速度場分布、壓力場分布、流線方向、渦流等。調(diào)節(jié)閥的傳統(tǒng)設(shè)計理念是初步設(shè)計樣品，通過5-6次液流試驗，反復(fù)修改閥的結(jié)構(gòu)尺寸，最終得到合理的閥流曲線，實現(xiàn)產(chǎn)品定型；基于CFD的調(diào)節(jié)閥輔助設(shè)計方法，改變了傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)閥設(shè)計理念，經(jīng)過CFD優(yōu)化后的產(chǎn)品只能通過1-2次液流試驗驗證設(shè)計，從而大大縮短設(shè)計周期，節(jié)約成本。綜上所述，基于CFD調(diào)節(jié)閥的輔助設(shè)計方法在突破高壓氧氣調(diào)節(jié)閥壟斷方面發(fā)揮了重要作用。

應(yīng)用這一先進理念開發(fā)設(shè)計的3″主氧路氧氣調(diào)節(jié)閥已在魯西化工等煤化工生產(chǎn)線上使用，調(diào)節(jié)開度為30%-60%，流量調(diào)節(jié)準(zhǔn)確穩(wěn)定，產(chǎn)品性能達到世界一流水平，可完全替代進口產(chǎn)品，填補氧路調(diào)節(jié)閥的空白。