多级套筒调节阀流场数值模拟及流量特性研究

在现代工业生产中，调节阀属于控制阀系列，是流体运输过程和工艺环路中的重要控制元件，是保证各种工艺设备正常运行的关键设备，广泛应用于工业生产和日常生活的各个领域。随着技术的进步，工业实践中的各种场合都对调节阀提出了高温、高压、高压差等要求。特别是在高压差条件下使用的调节阀容易在阀芯和阀座上产生严重的腐蚀和腐蚀，并伴有强烈的振动和噪声。这些现象导致调节阀在高压差条件下工作性能下降，使用寿命缩短，带来安全风险，给工业生产领域的安全高效运行带来诸多问题，甚至导致严重事故。因此，在高压差条件下开发特殊的调节阀具有重要意义。

本文介绍了多级套筒调节阀的内部结构及其工作过程。流体力学的应用计算（CFD）该软件模拟了多级套筒调节阀内部流场的内部三维湍流流值，以获得调节阀内部压力、速度和痕迹的分布。CFD模拟实验方法可获得多级套筒调节阀的CV和流量特性曲线，提高样机试制成功率，缩短开发周期，避免经验参数或实际试验引起的周期和成本增加，为多级套筒调节阀的设计和研究提供进一步参考。

1 多级套筒调节阀的结构及工作流程

开发设计的多级套筒调节阀结构如图1所示。调节阀主要用于电站、石化、化工等高参数条件，工作介质主要为高温水或过热蒸汽。液体从右到左流动，液体从套筒外流动到内；气体从左到右流动，气体从套筒内流动到外流动。由于多级套筒的作用，流体通过阀体经历多次逐步降压过程，每层套筒压力下降一次。多级套筒作为阀门的核心部件，可抑制介质流量的增加，控制允许范围内的压力变化，有效避免和减少闪蒸空化现象和高速流体对阀门部件的侵蚀，延长调节阀的使用寿命，保证设备和系统的可靠运行。

图1

2 多级套筒调节阀流场的数值模拟

2.建立1 流道实体模型

利用Solidworks三维物理建模软件建立了调节阀腔内部流道的模型。整体模型由外部阀腔流道和内套筒流道组成。建立的物理模型准确地反映了调节阀内部结构的实际情况。同时，为了充分进行模拟计算时流道两端的流动，进出口表面的流动稳定均匀，阀门内部流道模型的进出口两端延伸，流道模型如图2所示。

图2

2.建立了数值模拟过程控制方程组

在模拟实验过程中，调节阀流体通道中的实际流量为湍流水。在正常条件下，采用k-ε湍流模型，描述阀内常不可压缩流的方程如下：

(1)

动量方程：

   （2）

紊动能k方程：

   （3）

♂

紊动能耗散率ε方程：

   （4）

式中：x_i———笛卡尔坐标系坐标，i＝1，2，3；ui———沿i方向的速度分量，i＝1，2，3；f_i———沿i方向重力；p———压力；ρ———水的密度；υ———水的运动粘度系数；υ_t———涡粘性系数，υ_t＝Cμk²/ε；P———表达式为紊动能生成项

k-ε采用模型中的系数Launder和Spalding的推荐值：C_μ＝0.09，C₁＝1.44，C₂＝1.92，σ_k＝1。

流场出口:流场出口的边界条件为垂直于截面的压力梯度为零，包括:

   （5）

式（5）中：u，υ，w———沿不同方向的速度重量，n———局部坐标垂直于截面。

固壁边界：在固壁上选择无滑动条件u＝υ＝w=0，忽略了固壁处的摩阻流速。

2.3 数值模拟计算和结果分析

为保证计算精度，采用结构与非结构网格相结合的划分方法形成网格。流道两端的直管段网格采用Hex/Wedge(六面体/楔形)网格划分，由于结构复杂，中间多级套筒的流体通道采用Tet/Hybrid（四面体/混合）网格被划分，为了使计算结果更准确，每层套筒中的孔分别加密。由于计算模型对称，模拟计算的50%，以减少网格数量，节省计算时间；连续方程和三维雷诺平均N-S基于各向同性涡粘性理论的方程和方程k-ε方程组成调节阀内部流动数值模拟的控制方程组，采用有限体积法对控制方程组进行离散；根据厂方提供的系统运行实际工况参数，该次计算的进口处压力为7MPa，出口压力为0，介质为常温水，密度ρ＝998.2kg/m³。

2.3.1 压力场分析

如图3所示，可以看出调节阀进出口压力分布均匀，套筒压力逐渐稳定下降，阀体下腔和出口直管段有局部低压区域，如A在这种情况下，局部最大压力为7.17MPa，分布在阀门进口和最外套。

图3 z=0水平截面压力分布云图

2.3.2 速度场分析

速度分布如图4所示。入口端和阀腔的速度分布相对均匀，由于套筒节流效应和阀体流道结构的影响，出口端的速度分布不均匀。套筒内的速度从外到内逐步上升，在7MPa在压差工况下，最内套筒的速度最大，如B处所示。入口段和出口段流道拐角处有几个小阀门死区，流体静止，速度为0。

图4 z＝0水平截面上速度分布云图

2.3.3 迹线

阀内流体线分布如图5所示所示。痕迹线是连续时间内单个质点的流动轨迹线。这是拉格朗日法描述流动的一种方法。阀内流体痕迹线在进口处均匀，套筒进入阀体下腔时分布集中。由于流道结构的特点，出口处流体分布不均匀，如C处所示。

图5

♂

3　流量特性研究

3.11 阀门流量系数模拟计算

阀门的流量系数是指在规定条件下调节阀门流通能力的基本系数，是工业阀门的重要工艺参数和技术指标。项目要求C_V国际上广泛应用于非国际单位制的调节阀流量系数。C_V在一定压力下降时，常温条件下的水在一定时间内流过调节阀的体积。

   （6）

式中：q_v——体积流量，m³/h；G——实验流体密度与水密度的比值(水=1)；Δp———阀两端静压损失100kPa。

根据GB/T17213.9-2005《工业过程控制阀》第2-3部分:流量系数在流通能力实验过程中的规定:实验介质为常温水；入口压力分别为1.0，1.5，3.0MPa三种工况；在出口压力为0的情况下进行实验，实验数据见表1所列。

表1

取三组数据的算术平均值：

C_V＝（C_V1    C_V2    C_V3）/3＝102.93

说明多级套筒调节阀C_V值约103，能满足设计要求。

3.2 拟合不同开度下的流量系数曲线

同样，可以计算出不同开度下多级套筒调节阀的流量系数，数据见表2所列。

表2

根据表2中获得的数据，拟合阀流特性曲线如图6所示：

图6

从图6可以看出，随着调节阀开度的降低，流体的阻塞性增加，阀门的流量系数也降低，流量特性曲线基本符合线性分布。

4 结束语

1）应用CFD该软件模拟了调节阀内流场的三维湍流值。结果表明，多级套压力分布均匀，最大压力为7.17MPa，分布在阀门进口和最外套，套筒压力逐步稳定下降，阀体下腔和出口直管段有局部低压区域；套筒内流量由外向内逐步上升，最内套筒内流量最大，第一套筒内最大流量低于常规阀门，多级套筒内流体压力和流量逐步降低，可有效防止和减少压力突变引起的闪蒸汽蚀危害。

2)在设计过程中引入CFD仿真实验，能够精确地计算出多级套筒调节阀的流量系数，大幅提高了一次样机试制的成功率，缩短了开发周期，降低了成本，为多级套筒调节阀的设计与研究提供进一步的参考。