閥口形狀對(duì)套筒調(diào)節(jié)閥調(diào)控特性的影響

為了滿足管道系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的要求，本文基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD），研究了閥口節(jié)流截面形狀對(duì)套筒調(diào)節(jié)閥調(diào)控的影響。討論了橢圓型閥口、V 型閥口和扇形閥口 3 種類型的節(jié)流閥。結(jié)果表明，流道的幾何形狀對(duì)流量系數(shù)影響很大；V 形閥口具有類似的等百分比流量特性；扇形閥口具有類似的線性流動(dòng)特性。相對(duì)特性隨截面形狀的變化而變化。在小開口時(shí)，閥門的內(nèi)部流動(dòng)更為復(fù)雜。閥芯附近的能量損失相對(duì)較大。

符號(hào)說明

ρ--流體密度，kg/m3；
U--速度，m/s；
τij--平均流動(dòng)的黏性剪切應(yīng)力；
τij′--由速度波動(dòng)引起的雷諾應(yīng)力； d ——閥門進(jìn)出口直徑，m；
D ——管道直徑，m；
G ——能量傳遞速率，W/（K•s）； k ——湍動(dòng)能，J； K ——流量系數(shù)；
P ——靜壓值，Pa；
Q ——體積流量，m3/h； β——常量，β =0.09；
Δp ——壓差，Pa；
ε——湍動(dòng)能耗散率，%;
κ ——熵產(chǎn)指數(shù)；
i，j ——下標(biāo)，笛卡爾坐標(biāo)系中的 3 個(gè)方向。

引言

控制閥主要用于控制管道系統(tǒng)中的流體流動(dòng)。 套筒調(diào)節(jié)閥是控制閥門的一種，其特點(diǎn)是內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流量特性由流通截面決定。但是，單流量特性的限制了閥門的使用范圍，對(duì)套筒調(diào)節(jié)閥不同節(jié)流段的流量特性進(jìn)行研究，可以為調(diào)節(jié)閥的優(yōu)化提供參考。

Guillermo 等［1］，使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）評(píng)估了幾何形狀對(duì)3D 控制閥性能的影響。Bruce 等 [2]提出了一個(gè)模型測(cè)試程序，該程序可用來確定閘閥噪聲源。Jazi 等［3］研究了閥座幾何形狀引起的空化聲學(xué)波形，對(duì)識(shí)別球閥內(nèi)的空化具有很［4］開發(fā)了一種用于不同類型和扇形閥口（如圖 2 所示）型液壓閥的流動(dòng)參數(shù)化建模的方法。

Claudio［5］研究了通過球閥和閘閥的流量，并改進(jìn)了兩相流條件下的壓降計(jì)算模型。Dazhuan 等 6 引入 CFD 方法擬合壓力控制閥的流量 壓力曲線，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。 Garcia-Sandoval 等［7］利用熱力學(xué)對(duì)閥內(nèi)熵產(chǎn)生的 Lyapunov 候選函數(shù)進(jìn)行了分析，并提出了一種基于閥內(nèi)熵產(chǎn)生的系統(tǒng)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)是分析流體機(jī)［ ］械內(nèi)部流場(chǎng)的一種成熟方法 8-11 。本文采用基于有限體積法的商業(yè)軟件 FLUENT 分析了套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動(dòng)特性和相關(guān)系數(shù)。

1 數(shù)值模擬方法

湍流被認(rèn)為是具有不規(guī)則旋轉(zhuǎn)的高度復(fù)雜的三維非定常流動(dòng)。使用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 湍流模型，基本控制方程主要由連續(xù)性方程和 Navier-Stokes 方程組成。 連續(xù)性方程［12］可以寫成：

Navier-Stokes 方程［13］可以表示為：

計(jì)算網(wǎng)格如圖 3 所示。為了提高仿真效率，采用了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格技術(shù)，引用 SIMPLEC 算法以提高計(jì)算精度，上游和下游管道長(zhǎng)度為 10D（D，管道的直徑），不同開度，不同閥口的網(wǎng)格數(shù)從 302 萬(wàn)到 315 萬(wàn)不等。為了驗(yàn)證網(wǎng)格數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，研究了 3 種不同數(shù)量的網(wǎng)格。表 1 為網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果，在全開工況下，閥門上游 2D 和下游 6D 之間監(jiān)測(cè)壓降。結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過 300 萬(wàn)時(shí)，壓降相似。為了提高計(jì)算的效率和精度，數(shù)值模擬采用了 300 萬(wàn)網(wǎng)格模型。