轴流式流量调节阀工作特性数值模拟研究

2020-11-09高佳男李国占罗献尧张洪军

流体机械 2020年10期

高佳男，李国占，罗献尧，张洪军

（1.中国计量大学计量测试工程学院，杭州 310018；2.浙江爱力浦科技股份有限公司，浙江台州 317100）

0 引言

流量调节阀在工业过程控制和试验室流体装置上应用广泛。常见的调节阀的流量特性有4种［1］，即直线型、等百分比型（对数型）、快开型、抛物型（见图1）。其中，等百分比型调节阀流量小时流量变化慢，流量大时流量变化快，也就是在不同开度上具有相同的调节精度，具有小流量可精细调节、大流量可快速调节的特点，适用于对于调节性能要求较高的专用流动测量装置上。由于调节阀实际工作时流量调节特性与管路阻力特性相关，理想的调节特性很难达到。在各类调节阀中轴流式调节阀（也称套筒阀）有调节比宽、调节平稳、对流动扰动小等特点，在有较高调节特性要求的应用中具有优势。

目前已有的轴流式流量调节阀产品以及相关研究中工作介质主要以液体为主［2-5］，调节阀结构大同小异。在实际工程中，这种流量调节阀应用还不是很广，在油气输运管线中偶尔能发现轴流阀的应用［6］。对于适用于中小口径低压气体流量调节的轴流式调节阀目前还缺乏研究，未见相关产品。

图1 流量调节特性曲线

在阀门、泵和风机等流体机械研发工作中，流体力学数值计算（CFD）方法使用已非常普遍。CFD方法具有成本低、速度快、能够提供流场细，节的特点，在调节阀流动特性研究中也有很多应用。许洪斌等［7］对一种滑板式调节阀进行数值模拟得到其流量特性曲线和流阻数据。冯卫民等［8］对网孔型套筒阀的流量特性进行了数值模拟。张婷等对套筒阀的窗口设计进行了研究［9-18］。

本文针对一种小口径轴流式低压气体流量调节阀的流动特性进行仿真，主要的目的是获得调节阀内部流场、流量调节特性曲线，评价其流量调节特性。

1 新型轴流式流量调节阀结构及设计

1.1 阀门总体结构

本项工作的目标是设计一款具有等百分比流量调节特性的轴流式气体流量调节阀。轴流式调节阀由阀体、阀芯、阀杆、活塞、套筒、尾部整流罩、手轮等组成，如图2所示。套筒后半段开有变截面的纵向条形孔，活塞安装在阀芯上，阀芯为螺纹丝杠，阀芯和阀杆通过90°锥形齿轮传动。阀门工作时，流体左侧流入，右侧流出。转动阀杆，带动阀芯沿轴向前后移动，改变活塞和套筒的相对位置控制阀门的开度。变截面条形孔的设计使得阀门具有接近等百分比的调节特性。流体在流经阀门过程中基本沿轴向流动，尾部整流罩避免了流动漩涡区，使得流动更加平顺稳定。

图2 轴流式流量调节阀示意

与传统轴流式套筒阀相比，该新型轴流式流量调节阀不同之处是采用了开有变面积条形孔的套筒和尾部整流罩。变截面积条形孔使得流量调节保证具有等百分比特性的同时，调节更加连续、平稳；尾部整流罩使得调节阀下游流动扰动小，减小阀门引起的管道振动和噪声。

1.2 等百分比流量调节阀流量特性

调节阀的流量特性是指通过调节阀的流体相对流量和相对开度之间的关系，即：

式中Q——某一开度下流量；

Qmax——最大流量；

l——阀芯位移；

L——阀芯最大位移。

等百分比型调节阀指的是阀门开度变化与流量在行程（位移）的每一点上单位行程变化所引起的流量的变化与此点的流量成正比，流量变化的百分比是相等的，即：

积分得：

式中K——系数；

C——积分常数。

可见，相对流量与相对开度之间是对数关系。根据边界条件：l=0时，Q=Qmin；l=L时，Q=Qmax，可得：

式中R——调节阀的可调比系数，调节阀所能控制的最大流量与最小流量的比值；Qmin——阀门能平稳控制的最小流量，即l=0时对应的流量，一般约为最大流量的2%～4%。

1.3 调节阀流动特性

调节阀在整个系统中是一个阻力可变的元件，其流通面积的改变导致局部阻力系数变化。假定调节阀水平安装，阀门全开时流通面积为A，某一开度下的流通面积为Ar，阀前后的压降为ΔP=（P1-P2），流体密度为ρ，流量为Q，管道内平均流速为V，则调节阀前后的压差：

式中ζ——阀门流阻系数。

ζ可用下式近似表示：

式中ζ0——阀门全开情况下的阻力系数。

式（6）右侧第二项是由于阀门未全开带来的额外局部阻力导致的阻力系数。

由式（5）（6）可得平均流速。

调节阀某一开度下的流量：

令流量系数：

调节阀全开时：

如果设定阀门总压降恒定，流体不可压，相对流量系数：

由式（4）（11）有：

由式（6）（11）（12）可得：

所设计阀门公称直径为DN50，管道内径D=50 mm，取阀门全开时阀口面积为管道流通面积的1.05倍，则A=2 060.6 mm2。根据预仿真结果，ζ0≈3.0，取可调比R=30，可计算得到各个阀门开度下阀口面积Ar，数值见表1。

表1 阀门开度和阀口面积

设计阀套长条孔为10个，阀芯行程L=40 mm，条形孔尺寸如图3所示。

图3 条形孔尺寸

2 计算仿真

计算仿真针对调节阀公称直径为DN50，D=50 mm，阀体长度为220 mm。计算区域包括调节阀及其上游3D和下游10D（见图4）。调节阀内部忽略阀杆、阀芯、齿轮、固定件等结构。

图4 轴流式流量调节阀三维实体网格

利用前处理软件ICEM划分三维网格。考虑到计算精度，采用结构化网格和非结构化网格结合的方法，阀门的上游入口端采用结构化网格，模型的流通孔处采用非结构化网格，并进行局部加密处理（见图4），总网格数量为300万左右，网格的质量在0.4以上。

采用FLUENT软件进行流动数值模拟。考虑调节阀内部流动比较复杂，计算时在定场条件下，用不可压缩流动的雷诺方程组与标准k-ε方程组构成封闭的方程进行稳态计算，压力速度耦合基于SIMPLEC算法，基于有限体积求解控制方程。均采用二阶迎风差分格式，计算收敛后采用大涡（LES）模型。大涡模拟是介于直接模拟和雷诺平均方程之间的一种模拟方法，其基本思想是把包括脉动在内的湍流瞬时移动和小尺度运动，大尺度运动通过求解N-S方程直接求解出来，小尺度通过亚网格尺度模型，建立与大尺度涡的关系进行模拟，非定常流动。流动介质为水。入口条件为速度入口，出口为自由出口。

计算中流速工况取6，18，30 m/s 3种。每个流速下，计算从10%～100%之间10个阀门开度下的流场。

3 计算结果与讨论

3.1 调节阀内部流场

图5示出了阀门开度分别为20%，50%，100%时纵向截面调节阀及其下游流场流线，流速V=30 m/s，图5（a）显示，开度比较小时，流体流经节流孔阻滞作用较大，出口流动相当于射流作用，因此在出口形成明显的流动漩涡，对流动扰动较大。随着开度的增大（见图5（b）（c）），阻滞作用逐渐变小，下游旋涡有所减弱。3种情况在距离下游3D左右的位置流动已经相对平稳。

图5 不同开度下调节阀内部流线（v=30 m/s）

图6示出了40%阀门开度下，流速6，18，30 m/s时纵向截面内流线。图6（a）显示，流速较小时流体流经节流孔后，漩涡相对较弱，流动在下游很快恢复平稳流动；随着流动流速增大（见图6（b）（c）），调节阀下游出现较大、较强漩涡，流速越大漩涡影响区域越大，达到稳定流动的距离增加。各种流速情况来看，旋涡影响区域相对不大，距离下游3D位置流动已趋于平稳。

图6 不同速度下调节阀内部流线

图5，6流场流线显示，在尾部整流罩区域，总体上流动沿整流罩流向下游，尽管也会产生漩涡，但比一般后台阶流动（相当于不加装流线型尾部整流罩）要缓和很多，这种流线型后整流罩起到了减小流动扰动的作用。

3.2 调节阀流量特性

由式（9）可以得到流量系数：

调节阀计算仿真可以提供各工况下的流量Q和调节阀上下游之间的压降ΔP，流体密度ρ已知，因此可以由式（14）计算得出流量系数，以及各工况的相对流量系数。根据6，10，18 m/s 3种相对流量系数RKV的计算结果绘制相对流量系数与相对开度关系曲线，如图7所示。由图7可见，4个流速工况下计算得到的相对流量系数大部分相互偏差不大，与设计曲线也比较吻合，一定程度上说明设计中所采用的计算方法是正确、可行的。

图7 相对流量系数与相对开度的关系

从图7可以看出，在较小开度的几个点，计算仿真结果与设计曲线基本一致，不同流速工况下计算结果相互重叠，说明所设计的这款轴流式流量调节阀在较低流量范围调节性能平稳，这对于在较大工作大范围内流量的精细调节是非常重要的。

图7中横坐标对应的l/L为0.5，0.7，0.9等处点不同流速的相对流量系数计算仿真数据相互有些分散，0.9数据点仿真数据与设计值有所偏离。造成这种情况的原因是计算仿真的计算误差，由于调节阀内部结构复杂，流动为复杂湍流，计算仿真采用了大涡模拟模型和非定常流动，各次计算中判断收敛存在一定偏差。此外，调节阀下游取压位置还存在一定的漩涡流动，不同开度情况下流动压力恢复程度不一致，由此带来计算仿真数据相互之间的偏差，也可能造成如l/L=0.9处所对应的系统性偏差。