閥口形狀對套筒調節閥調控特性的影響

為了滿足管道系統調節性能的要求，本文基于計算流體力學（CFD），研究了閥口節流截面形狀對套筒調節閥調控的影響。討論了橢圓型閥口、V 型閥口和扇形閥口 3 種類型的節流閥。結果表明，流道的幾何形狀對流量系數影響很大；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特性。相對特性隨截面形狀的變化而變化。在小開口時，閥門的內部流動更為復雜。閥芯附近的能量損失相對較大。

符號說明

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

引言

控制閥主要用于控制管道系統中的流體流動。 套筒調節閥是控制閥門的一種，其特點是內部結構復雜，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，對套筒調節閥不同節流段的流量特性進行研究，可以為調節閥的優化提供參考。

Guillermo 等［1］，使用計算流體動力學（CFD）評估了幾何形狀對3D 控制閥性能的影響。Bruce 等 [2]提出了一個模型測試程序，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波形，對識別球閥內的空化具有很［4］開發了一種用于不同類型和扇形閥口（如圖 2 所示）型液壓閥的流動參數化建模的方法。

Claudio［5］研究了通過球閥和閘閥的流量，并改進了兩相流條件下的壓降計算模型。Dazhuan 等 6 引入 CFD 方法擬合壓力控制閥的流量 壓力曲線，通過實驗驗證了仿真結果的準確性。 Garcia-Sandoval 等［7］利用熱力學對閥內熵產生的 Lyapunov 候選函數進行了分析，并提出了一種基于閥內熵產生的系統。計算流體動力學（CFD）技術是分析流體機［ ］械內部流場的一種成熟方法 8-11 。本文采用基于有限體積法的商業軟件 FLUENT 分析了套筒調節閥內部流動特性和相關系數。

1 數值模擬方法

湍流被認為是具有不規則旋轉的高度復雜的三維非定常流動。使用標準 k-ε 湍流模型，基本控制方程主要由連續性方程和 Navier-Stokes 方程組成。 連續性方程［12］可以寫成：

Navier-Stokes 方程［13］可以表示為：

計算網格如圖 3 所示。為了提高仿真效率，采用了結構網格與非結構網格相結合的混合網格技術，引用 SIMPLEC 算法以提高計算精度，上游和下游管道長度為 10D（D，管道的直徑），不同開度，不同閥口的網格數從 302 萬到 315 萬不等。為了驗證網格數對計算結果的影響，研究了 3 種不同數量的網格。表 1 為網格無關性驗證結果，在全開工況下，閥門上游 2D 和下游 6D 之間監測壓降。結果表明，當網格數超過 300 萬時，壓降相似。為了提高計算的效率和精度，數值模擬采用了 300 萬網格模型。