基于CFD的迷宫式调节阀内流场分析

陈 超，宗超勇，李清野，宋学官

(大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116024)

0 引言

迷宫式调节阀是一种被广泛应用在石油和天然气等能源管道系统内的重要控制元件，其主要功能是在高压差工作条件下控制管道系统内流体的流通状态。目前国内对于迷宫式调节阀的研发制作以仿造国外产品为主，研究迷宫式调节阀内流场分布情况的相关工作较少且处于起步阶段[1-2]。金多文[3]通过迷宫式调节阀在工业中应用案例，展示了迷宫式调节阀阀芯选择的计算过程。王若愚[4]等应用CFD流体分析软件对单条迷宫式流道进行仿真计算，得到了扩张系数对于迷宫式流道内流体流动状态的影响。刘佳等[5]应用CFD流体仿真软件对单条迷宫式流道进行模拟计算，分析比较了分流式与对冲式2种迷宫式流道形状对流体流动状态的影响。陶国庆等[6]对不同开度下迷宫式调节阀模拟计算，获得了迷宫式调节阀的流量系数曲线。郝娇山[7]对仿真计算结果进行分析提出了一种新的流道结构设计思路并拟合了不同开度下调节阀整体的流量特性曲线。王金海等[8]应用数值模拟和实验方法得到了迷宫式调节阀整体的流量特性。何涛等[9]通过对迷宫式调节阀内流场的数值模拟验证了所设计的低噪声的阀芯盘片结构并分析了阀体内噪声产生的原因。虽然上述文章已经对迷宫式调节阀内部流体的流动特性进行了研究，但是对于迷宫式调节阀的局部流体的流动特性研究还有待深入。

本文应用ANSYS Workbench商业有限元仿真软件对迷宫式调节阀内流场的二分之一模型进行了数值模拟，根据仿真计算的结果分析了迷宫式调节阀内流场整体的流动特性，并通过建立监测面得到迷宫式调节阀内局部区域流体的压力、流速和质量流量等物性参数，研究了迷宫式调节阀局部流体的流动特性。

1 数值模拟方法

1.1 几何模型和网格无关性验证

迷宫式调节阀主要包括阀体、阀芯和阀杆等零件，其三维几何模型如图1所示。研究中所用的迷宫式调节阀阀体高度为125 mm，入口和出口直径为76 mm,距离为300 mm，阀芯由10个盘片组成，每个盘片上有8个对称分布的迷宫式流道，流道横截面尺寸为2 mm×2 mm，阀芯的几何模型如图2所示。阀杆的行程为40 mm。阀体的内流场几何模型具有对称性，为了降低计算资源在本文的研究中采用内流场二分之一几何模型进行仿真计算，并按国家标准GB/T 17213.9—2005中关于阀门流通能力测试管道配置规定，将入口侧延长至管道直径的2倍，将出口侧延长至管道直径的6倍，以保证仿真计算结果的准确性。

图1 迷宫式调节阀三维几何模型

图2 阀芯结构示意

迷宫式调节阀内流场几何模型的网格划分如图3所示。阀芯的几何形状对流体压力和速度的变化起主要作用，使用六面体网格进行划分，其他流域应用四面体网格划分,并对内流场与迷宫式流道和阀杆孔的连接处的网格进行了加密。为了在不影响计算结果准确程度的情况下尽可能选用较少的网格，选用1 323 258，1 864 144，2 277 705，2 758 730和4 929 605这5种逐步增加的网格数量进行模拟计算。网格数量对计算结果的影响如表1所示。由表1可知，当网格数量增加至2 277 705后继续增加网格数量对出口的质量流量影响相对较小，所以最终选择该数量的网格进行仿真计算。

图3 二分之一内流场几何模型网格划分

表1 网格数量对计算结果影响

1.2 计算方法和边界条件

对迷宫式调节阀的几何模型进行前处理后，将其导入至ANSYS Workbench中的Fluent模块内，设置求解域边界条件，入口压力设置为5×105Pa,出口压力设置为2×105MPa,参考压力为1个标准大气压,内部流体介质为常温状态下的水，选用标准k-ε湍流模型对迷宫式调节阀的内流场进行计算求解，求解域内控制方程[10]。

质量守恒方程为

(1)

动量守恒方程为

(2)

湍动能k方程为

(3)

湍动耗散率ε方程为

(4)

式(1)～式(4)中，μeff为有效粘度;μt为湍动粘度，可以表示成k和ε的函数;S为体积力;σk和σε分别为与湍动能和耗散率对应的Prandtl数;Gk为由流体的平均速度梯度导致的湍动能的生成项;C1ε和C2ε为经验常数[10]。

1.3 流通系数的计算方法

因为本文研究中阀体内流动介质为常温水，且质量流量Q和压强差ΔP的单位分别为kg/s和100 kPa，所以根据GB/T 17213.9-2005工业过程控制阀第2.3部分,流通能力实验程序中关于流量系数的计算公式推得本文中迷宫式调节阀整体的流量系数公式为

(5)

为了对迷宫式调节阀局部介质的流动特性进行研究，需要对每个盘片和每条迷宫式流道的流量系数进行计算。这样就需要在每条迷宫式流道的进出口建立监测面得到计算流量系数所需要的物理量，而且为了进一步研究迷宫式流道内流体的流动规律，在每条流道内部建立了11个检测面，如图4所示。因为在阀体内流体同时流入每个盘片上的各条迷宫式流道，所以式(5)可以写成[2]

(6)

(7)

i为阀芯盘片和迷宫式流道的序号；CV，Diski和CV，Pathi分别为每个盘片和每条迷宫式流道的流量系数，每条流道的流量系数可以通过式(5)计算得到。

图4 迷宫式流道内监测面的位置

2 数值结果分析

2.1 迷宫式调节阀整体的流量特性

迷宫式调节阀的工作原理是通过改变阀杆的位置来控制阀芯的开度，从而实现对流过迷宫式调节阀的流体的压力和质量的调节。本文研究中分别对不同开度下迷宫式调节阀内部流体的流动状态进行了仿真计算，得到迷宫式调节阀整体在不同开度下的流量系数的计算值如表2所示。根据表2数据绘制调节阀整体的流量特性曲线如图5所示。通过图5可知，本文中研究的迷宫式调节阀的流量是线性变化的。

表2 不同开度下迷宫式调节阀整体的流量系数

图5 迷宫式调节阀整体的流量特性曲线

阀芯开度为100%时，调节阀内流场部分的对称面上的压力分布云图和速度分布云图分别如图6,图7所示。图6和图7显示迷宫式调节阀内部流体的压力和速度的变化主要发生在阀芯内部，但是从图7中阀杆孔位置的速度分布可以知道从同一盘片的各个迷宫式流道出口流出的流体的运动状态是不同的，因此流入同一盘片的各个迷宫式流道入口流体的运动状态也一定是不同的，这应该是阀芯盘片上各个迷宫式流道入口几何空间位置的不同和迷宫式流道入口处流体复杂的流动状态造成的。

图6 对称面上的压力分布云图

图7 对称面上的速度分布云图

2.2 迷宫式调节阀局部流量特性

阀芯开度为100%时，阀芯上盘片1、盘片5和盘片10的迷宫式流道内流体的压力和速度分布分别如图8和图9所示。从图8和图9可知，阀芯盘片1、盘片5和盘片10这3个盘片上的各个迷宫式流道内流体的压力和速度分布大致相同，但是不同盘片相同序号的流道内流体的压强和速度的数值相差较大。图10和图11分别显示了盘片1、盘片5和盘片10上流道1内各个监测面上的平均压强和平均速度。由图10可以知道，阀芯盘片上迷宫式流道内各个监测面上流体的平均压强虽然在流经流道前后有较大幅度的下降，但不是由大到小逐渐降低的，而是流体在每次经过迷宫式流道的直角弯后流体的压强都会有小幅度的恢复，同时也可以看到从盘片1到盘片5再到盘片10相同序号的流道内流体的压强逐渐降低。由图11可以知道，阀芯盘片上的迷宫式流道内各个监测面上流体的平均速度是呈现波浪式变化的趋势，并且从流道的局部区域看其变化趋势与流道内流体压强的变化趋势相反，同时可以看到从盘片1到盘片5再到盘片10相同序号的流道内流体的速度先减小后增大。

迷宫式调节阀内流过每个盘片内流体的质量流量等于流过盘片上各个流道的流体的质量流量之和。阀芯开度为100%时，流经各盘片的流体的质量流量变化如图12所示，在图12中可知，由盘片1到盘片10流经各盘片的流体的质量流量以接近指数的规律逐渐增加，由此可知从盘片1到盘片10各盘片上的迷宫式流道对流体的流动阻力逐渐降低。

图8 阀芯迷宫式流道内流体的压力云图

图9 阀芯迷宫式流道内流体的速度云图

图10 迷宫式流道内监测面的平均压强

图11 迷宫式流道内监测面的平均速度

图12 流经阀芯各盘片流体的质量流量

通过式(1)～式(3)可计算出每个盘片的流量系数。虽然由盘片1到盘片10流经各盘片的流体的质量流量在不断增加，但是从表3中的数据可以看到：在阀芯各个盘片中盘片3的流量系数最大，值为0.376 8；盘片10的流量系数最小，值为0.371 4，两者相差1.5%，所以阀芯上各盘片的流量系数的值基本相等。

表3 阀芯开度为100%时各盘片的流量系数

由式(1)可知流量系数的值与流经迷宫式流道的流体的质量流量呈正比，与迷宫式流道进出口两端流体的压强差的平方根呈反比。虽然由盘片1到盘片10流经各盘片的流体的质量流量逐渐增加，但是由盘片1到盘片10各盘片上迷宫式流道进出口两侧流体的压强差却是不断减小的，因此阀芯上各盘片之间流量系数的值基本相等。

3 结束语

应用计算流体力学的方法对迷宫式调节阀内流场的二分之一几何模型进行了模拟计算，研究分析了迷宫式调节阀整体和局部流体的流动特性。得到结论如下：迷宫式调节阀整体的流量系数与阀芯开度的变化线性相关；同一盘片上各迷宫式流道入口和出口流体的运动状态是不同的；迷宫式流道内局部流体的流速和压强变化的趋势是相反的；阀芯内流经各盘片流体的质量流量以接近指数的规律逐渐增加，但是阀芯内各盘片之间流量系数的值基本相等。