基于SolidWorks调节阀Kv值数字化建模预测分析

王楚辉，凌 飞，孙 建，盛叶飞，吕 溢

(1.浙江三方控制阀股份有限公司,浙江 杭州 310000；2.浙江三方控制阀研究院，浙江 杭州 310000)

引言

调节阀作为一种节流机构，主要对流体流量、压力、流向等进行调控，通过阀芯、阀座改变流道的截面积，形成局部阻力，从而改变流体的压力和速度，达到调控效果，流体流过节流孔时压力和速度变化如图1所示[1]。流体在流过调节阀时，由于流阻问题，产生能量损失，通常用阀前后的压差来表示阻力损失的大小。要使调节阀能起到调节作用，就必须使阀前后有一定的压差。

图1 流体流过节流孔时压力和速度的变化[1]

阀门在启闭和工作状态时，通过阀门的流体流场会改变并形成涡流，流场的变化是引起阀门振动和噪声的主要因素，对阀门流体流动特性的研究尤显重要。国内外学者对阀门进行了大量研究，屈铎等[2]通过有限元手段对球体内部流场进行了仿真分析，研究了阀腔结构对流体流动的影响，得出了阀内涡流形成的特点，为阀门流道设计及优化提供了理论依据；刘兆领等[3]基于PumpLinx进行某型齿轮泵的内流场特性模拟仿真，并将仿真结果与试验数据进行对比分析，验证了采用的仿真技术能够有效实现该型泵的特性分析；王阳阳[4]基于Fluent仿真软件，对安全阀启、闭全过程进行自适应动网格瞬态分析，结果表明，仿真分析可以观测到开启瞬间阀芯的回弹趋势，还能提供安全阀内部流场信息，是研究瞬态流场的有效手段；张玉祥等[5]应用k-ε标准湍流模型,模拟分析了球阀在不同阀芯开度下的阀门内部流场，得出阀门开度较小时,阀门内部会产生较大速度梯度和压力梯度，当阀门开度逐渐增大时,节流效应减弱,阀门下游压力变化减小，漩涡减小直至消失；刘兆领等[6]针对内缩型平衡阀的噪声问题，建立了内部流场的数学模型，利用Fluent仿真软件进行了液气两相流仿真，研究了流道壁面的噪声分布情况；张宏等[7]针对大流量多路阀稳态液动力问题，对阀芯受力情况进行了数值模拟仿真，通过对比不同湍流模型对仿真结果的影响，得出Realizablek-ε模型在大流量多路阀稳态液动力仿真中能够更好的拟合试验数据；任恒等[8]通过L9(34)正交试验与数值模拟相结合的方法对比例减压阀进行了优化设计，有效改善了比例减压阀的动态特性；金伟等[9]针对旋转阀的工作原理及其在工作过程中阀体内部流体流动特性，利用 Fluent 软件对旋转阀进行流场分析，得到了流体在旋转阀中的运动规律及流体压差变化情况；SRIKANTH C等[10]应用CFD流动网格技术对阀门内流体流动情况进行了仿真研究；MORITA R等[11]应用CFD技术对蒸汽调节阀内部流体流动情况进行了仿真研究，分析了引起阀门振动的因素，并进行了试验验证。本研究针对调节阀流量特性，应用SolidWorks 软件对阀内流体流动进行模拟分析，提取流体通过阀门的流量及压差，求得其Kv值，并在相同条件下进行流量试验，通过试验对比验证仿真结果的可靠性，为应用CFD技术研究阀门内部流体流动问题提供了理论参考。

1 SolidWorks 数字化建模

调节阀调节过程就是阀前、后形成压差的过程，进而达到改变流体的通过能力。应用SolidWorks软件模拟流体在调节阀内的流动过程，提取仿真数据，构建流体力学数字化模型，为调节阀调控机理的研究提供理论参考。

1.1 几何模型建立

应用SolidWorks软件构建调节阀三维模型，并在CFD模块中进行仿真分析。调节阀的内件(阀座/套筒、阀芯)是保证调节能力的核心部件，在建模时要保证其尺寸的准确性并保证装配关系。本研究只研究调节阀的Kv值，在构建调节阀三维模型时可以进行简化，只保留与介质接触的主要部件；同时根据调节阀流量测试试验标准，在调节阀入口、出口处分别加装长度为2倍、6倍管径(2D，6D)的管道，避免流体在阀体内发生扰动对试验结果产生影响。调节阀模型如图2所示，图2a为调节阀三维模型，图2b为调节阀三维简化模型，图2c为加装管道后调节阀简化模型。

1.2 流体数学模型

在研究流体流动问题时，都会引入一系列控制方程，通过构建流体数学模型进行求解，常用到的有连续性方程、动量方程等。流体运动的控制方程根据质量守恒、动量守恒和能量守恒得出。试验研究介质为不可压缩流体，且流体的黏度系数和热传导数为定值，因此得到如下流体控制方程[12]：

连续性方程：

V=0

(1)

动量方程：

(2)

式中，ρ——流体密度，g·cm-3

V——流体速度矢量

F——体积力

标准k-ε湍流模型[13]，湍动能k方程：

1.阀体 2.阀盖 3.阀杆 4.套筒 5.阀芯图2 调节阀模型

(3)

耗散率ε方程：

(4)

式中，xi，xj——坐标分量

ui——速度分量

Ym——湍流脉动膨胀对耗散率影响

μ——分子黏度

C1ε，C2g，C3g——常数

μ1——湍流系数

σε，σk——湍流普朗特数

Gk——速度引起的湍动能

Sk，Sε——源项

Gb——浮力引起的湍动能

通过对以上控制方程进行离散变换，得出其数学模型，将模型图分解成无数个小网格(微元化处理)，将研究问题的初始条件和边界条件代入，求得方程的解。该求解过程可以通过CFD技术，在仿真软件中完成，直接得到仿真结果。

1.3 边界条件设置

本试验研究流体的流动问题，对其Kv值进行求解，而Kv值又是流量与压差的函数；只需确定流体流量或压差，即可对研究的流体流动问题进行求解。试验只讨论了边界以内的流体流动问题，设置了静态压力边界条件。

流体Kv值计算过程：

对于不可压缩流体，当流体流过阀门时，会产生能量损失；对于不可压缩流体，根据能量守恒可得：

H=(p1-p2)/ρg

(5)

当阀门开度不变时，流经阀门流体的能量损失与流体动能成正比：

H=Cdw2/2g

(6)

w=Q/A

(7)

式中，H——能量损失

p1,p2——阀前、后压力,kPa

g——重力加速度

w——平均流速

Q——体积流量,m3/h

A——阀流道横截面积,cm2

Cd——阀阻力系数

将单位带入式(5)～式(7)中，计算后得：

(8)

令：

(9)

将式(9)中的密度ρ单位化成kg/m3,阀门压力p1,p2单位转化成MPa，即可得：

(10)

式中,ρ——介质密度，kg/m3

1.4 网格划分

工件网格划分质量对仿真结果有着重要影响，网格划分的疏密度既要考虑仿真的精度，又要考虑模拟的时间，结合实际，确定合适的网格尺寸[14]。针对流体分析，在流道截面上的网格数量不少于3层，通常将网格最小单元尺寸设为流道最小截面尺寸的1/3，并调控网格的最大、最小单元尺寸比例，给定网格自适应划分的标准。图3为调节阀截面网格模型，其最小流道截面尺寸为 10 mm，最大流道截面尺寸为 350 mm，故最小网格单元尺寸设为3 mm，网格的最大、最小单元尺寸比例设为 7，比例过大会引起仿真失真、不收敛，通常比例不大于12。

图3 调节阀截面网格模型

2 调节阀Kv值预测分析及试验对比

CFD技术的应用，使流体流动问题的研究进入了数字化、可视化阶段，极大降低了研究成本，节约了研究时间。本研究基于SolidWorks软件，对调节阀的流量特性进行仿真分析，求解其在不同开度时的仿真Kv值，得出其理论流量特性曲线；再在同等条件下进行流量试验，检测对应开度时的流量，计算得出试验Kv值，并与仿真结果进行对比分析，验证仿真结果的可靠性。

2.1 调节阀Kv值预测分析

本研究的调节阀基本参数：DN350，PN160，最大调节行程100 mm。应用 SolidWorks 软件完成调节阀三维简化模型构建后，直接进入流体仿真模块(flow simulation)。流体介质设为水(常温)，管道摩擦因数0.3，管道壁面设为绝热，介质自重影响忽略。根据1.3节完成初始条件设置并划分网格。载荷参数设置见表1。

表1 仿真载荷参数设置

将载荷数值带入到仿真模型中进行求解运算，提取仿真数据进行分析。图4为流体在阀门内流动速度云图。

图4 流体在阀门内流速云图

从图4中可以看出，流体在进入阀腔前的加装管道内流速稳定，在进入阀腔后流速出现较大波动，这是因为阀芯与套筒改变了流道的截面积，使流体流动遇阻，流体在通过阀芯时出现压力变动，引起流速改变。当流体离开阀腔后，流速开始缓慢恢复稳定，这是因为流体离开阀腔后，压力开始恢复直至稳定，流速亦趋于稳定。图4中流体在距离阀腔后约2.5倍管径管道处，流速基本稳定，4.5倍处流速完全稳定，因此，在调节阀入口、出口处分别加装长度为2倍、6倍管径的管道，可以有效避免流体在阀体内发生扰动，对仿真结果产生影响。

图5为阀芯100%开度时流体质量流量M，图6为阀芯100%开度时阀门出、入口压力。

图5 阀芯 100%开度时流体质量流量

图6 阀芯 100%开度时管道出、入口压力

由图5可以看出，在流体流动稳定后，流体通过阀门的质量流量保持稳定，符合调节阀的调控功能要求；图6可以看出，在仿真的全过程中，管道取压口处压力稳定不变，保证了仿真数据的可靠性。

根据以上仿真方法，建模求解出所有开度的流体质量流量，并将仿真数据带入式(10)求得Kv值。阀芯不同开度时的质量流量与Kv仿真值见表2。

表2 阀芯不同开度时的质量流量与Kv仿真值

2.2 调节阀 Kv值试验检测及对比分析

通过CFD技术仿真得到的数据，还处于理论阶段，为验证仿真数据的可靠性和实用性，在相同条件下(流体介质、边界条件、载荷条件等)，对以上调节阀进行流量测量试验，得到不同阀芯开度时的流量和压差值。图7为流量试验系统简图，通过“上/下游节流阀”控制流入“试验样品阀”的介质流量[15]。

图7 流量试验系统[15]

图8a为调节阀流量试验实物，图8b为阀门流量测量系统。通过该系统可以将试验过程中的流量与压强实时显示出来，便于条件控制和数据提取。

图8 阀门流量试验

将试验测得的流量与压差带入式(10)求出Kv试验值，并与仿真值进行对比。图9为Kv试验值与仿真值对比曲线。

图9 Kv试验/仿真值曲线

从图9可以看出，当阀门开度较小时(不大于30%)，Kv试验与仿真偏差较大，且开度越小偏差越大，这是因为较小开度时通过阀门的流量较小，在相同偏差量情况下，流量基数越小，偏差的百分比就越大；当阀门开度较大时(大于30%)，试验与仿真比较吻合，偏差值小于5%。调节阀在实际应用过程中，其实际应用阀门开度在40%～80%之间。因此，通过CFD技术仿真得到的阀门Kv值曲线，可以作为阀门设计时的理论参考，这将极大提高了设计效率和经济效益。

3 结论

Kv值作为调节阀设计和应用的主要参数，是判定调节阀是否合格的重要指标。本研究应用SolidWorks软件对调节阀进行数字化建模，完成了调节阀流量仿真分析，得到了阀门不同开度时的Kv值。通过将仿真与试验进行对比分析，得出在阀门开度大于30%时，试验与仿真偏差值皆小于5%，验证了仿真数据的可靠性。为应用CFD技术进行阀门流量研究提供了理论参考，对提高阀门设计效率具有指导意义。