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摘要：以角式调节阀为研究对象，应用计算流体力学软件 FLUENT 对其内部流场进行了三维数值模拟，得到了流量特性曲线及流道内的速度场、压力场分布。通过不同流向和开度的对比分析，表明此类阀门在大开度时流闭型可显著提高流量系数。
关键词：角式调节阀；流向；流量特性；数值模拟
调节阀是工业自动化调节系统中的重要环节。随着电子计算机的迅猛发展，计算流体力学（CFD）数值模拟的优越性越来越明显，我们运用 CFD 通用软件 FLUENT 对一种角式调节阀进行了三维数值模拟，通过一系列开度下的流量模拟得到了该阀的流量特性曲线，并直观地显示出不同流向状态下阀门流道内部的速度压力分布和漩涡分布情况，由此进一步分析流向对角式调节阀流量特性的影响。
1 角式调节阀的结构及网格划分
图 1 角式调节阀结构剖视（1 阀杆；2 上阀盖；3 阀芯；4 阀座；5 阀体）
某一型号角式调节阀的结构剖视如图 1 所示。它由阀杆、上阀盖、阀芯、阀座和阀体等零部件构成。阀体通道成直角，故称为角式调节阀。它具有流通量大、自洁性好等优点，适合阀前后压差不大的高粘流体并要求直角配管的场合。所采用的角式调节阀公称通径为 25mm，公称压力 1.6MPa，理想流量特性为直线特性，额定流量系数为 15m2，阀芯行程 16mm，可调比 R=50。
图 2 模型的网格结构剖视图
利用 SolidWorks 三维实体建模软件，对图 1 所示的阀腔流道建模，并用 FLUENT 的前处理器 GAMBIT 软件生成计算网格（见图 2)。阀体内腔的形状和流动状态较复杂，采用非结构化网格，由 GAMBIT 自带的 TGrid 程序划分，整个流道网格数为 113625 个。
2 计算结果及分析
所求解的基本方程是三维不可压 N-S 方程，湍流模型采用标准 κ-ε 模型。离散方程的求解方法采用非结构网格上的 SIMPLE 算法，二阶迎风格式。速度压力场采用隐式的全场迭代解法。阀门内的流质为水，边界条件规定压力进口和压力出口。
2.1 流量特性分析
阀门的流量特性通常以相对流量与相对开度的关系来表示，衡量阀门流通能力的指标是流量系数 Kv，流量系数计算的一般形式为
其中 Kv 为流量系数，单位 m2；qv 为流量，单位 m3/h；ρ 为流体密度，单位 kg/m3；△P 为阀门的压力损失，单位 Pa。
图 3 调节阀的流量特性曲线（◆ 理论流量特性，■ 模拟流流量特性）
通过计算可得到阀门理论流量特性曲线；应用 FLUENT 对不同开度的流道模型进行数值模拟，即可得到模拟流量特性曲线。2 曲线如图 3 所示。从图中可以看出，理论曲线与模拟曲线的趋势是基本一致的。由于理论流量特性曲线是理想状态下的期望特性，而实际中的阀门，局部阻力和流态会因阀门开度的改变而发生变化，且引起变化的因素非常复杂，很难找出确定的规律，所以通过理论公式计算得出的理论流量特性曲线与实际的模拟曲线有一定的偏差，但趋势基本一致，并且模拟流量特性曲线与实验结果更加贴近。因此 FLUENT 软件适合分析阀门内部流场，可用来对流场进行进一步分析研究。
2.2 流场分析
图 4 压力等值线（MPa）
图 5 速度等值线（m/s）
工程中，角式调节阀通常选择流开型（即底进侧出）流向。在进口压力为 1.6MPa，出口压力为 1.5MPa 的条件下，该调节阀全开时对称面上的压力等值线和速度等值线如图 4、图 5 所示。从图中可以看出，进口的压力和速度都比较均匀；当水流通过阀芯与阀座之间的节流处时，由于流通面积突然减小，压力减小，速度增大，并且靠近出口一侧的节流处的速度要明显大于另一侧，即减压增速效果明显；水流通过节流处后流向出口，压力和速度又趋向均匀。
2.3 流向分析
图 6 流开型开度 100% 速度矢量
图 7 流开型开度 30% 速度矢量
图 8 流闭型开度 100% 速度矢量
阀门开度分别为 100% 和 30% 时流开型流向的对称面速度矢量见图 6 和图 7。从两图中可以看出，在阀腔中背对出口的一侧，都产生了明显的漩祸，这会产生较大的能量损耗，增大阻力系数。这说明流开型易在阀腔内产生漩涡，造成能量损失。应用 FLUENT 软件对该阀门全开流道模型进行了流闭型流向的数值模拟，得到对称面上的速度矢量如图 8 所。从图 8 可以看出，阀腔内几乎没有漩涡，说明流闭型流向可大大避免漩涡的产生，减少能耗。
对不同开度的流道模型进行流闭型流向的数值模拟，得到各开度下的流量系数见《表 1》。从表中可以看出，相同开度下，流闭型比流开型的流量系数明显提高，全开开度时，流量系数提高了 15.3%。这是由于流闭型阀门流道内没有漩涡产生，减少了能量损耗，提高了流量系数。从表中还可以看出，随着阀门开度的减小，流量系数提高的百分比也随之减小，10% 开度时流量系数已不再提高。这是因为，阀门大开度时，流开型流向漩涡处流体的速度大，则动能大，损失的能量多，而流闭型流向几乎没有漩祸产生的能量损失，所以流量系数提高明显。随着阀门开度的逐渐减小，流体速度减小，流开型损失的能量也随之减小，因而 2 种流向的流量系数逐渐趋于相等。
| 开度 / % | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 90 | 100 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 流开型 / m2 | 1.73 | 4.57 | 6.98 | 9.36 | 11.20 | 12.24 | 13.14 | 13.97 | 14.69 | 15.30 |
| 流闭型 / m2 | 1.73 | 4.68 | 7.56 | 10.08 | 12.24 | 13.50 | 15.05 | 15.84 | 16.81 | 17.64 |
| 提高百分比 / % | — | 2.40 | 8.30 | 7.70 | 9.30 | 10.30 | 14.50 | 13.40 | 14.40 | 15.30 |
3 结论
（1）通过对阀门流量系数的理论计算和数值模拟，证明用计算流体力学软件所得到的模拟结果与理论计算基本一致。这将有助于阀门的优化设计，缩短设计周期，节省大量成本。
（2）角式调节阀通常选用的流开型流向会在阀腔内产生漩涡，造成能量损耗。而流闭型流向可避免漩涡产生，减少能耗。
（3）角式调节阀选择流闭型可相对提高流量系数，尤其在阀门大开度时，流量系数提高显著。工程实际中，若阀门经常处于较大开度工作时，选择流闭型的安装流向，能更好地提高流量系数。