基于AcuSolve的空调用截止阀流通性能的仿真与试验

贺宇辰

摘要：针对空调用多种型号截止阀，建立了对应各型号截止阀的流体仿真模型，采用Altair公司流体仿真分析软件AcuSolve对4种型号截止阀进行流通性能仿真计算，4种规格截止阀流量系数仿真结果与试验数值的最大误差为3 .47%，最小的误差仅为1.78%，全部低于工程常用5%误差以下的考察标准，证明仿真分析的准确合理性。研究结果对空调用截止阀的流通能力设计和验证提供参考。

关键词：截止阀;Acusolve;流通性能;仿真分析

中图分类号：TB657; TP273

文献标志码：A

文章编号：1009-9492f 2022）02-0133-04

0 引言

截止阀是空调系统中必不可少的一种控制部件。在空调系统管路中，起制冷剂传输切断和流动方向调节等作用[1]。由于截止阀的结构特性一般为直角转弯形式，这就导致其无法拥有良好的流通性能。2019年国家多部委联合印发《绿色高效制冷行动方案》提出，在2017年基础上，到2022年，我国家用空调等制冷产品的市场能效水平提升30%以上，绿色高效制冷产品市场占有率将提高20%;到2030年，大型公共建筑制冷能效提升30%，制冷总体能效水平需提升25%以上，绿色高效制冷产品市场占有率提高到40%以上。这就对空调系统节能要求提出很高的要求。截止阀作为空调系统管路中一个重要部件，提高其流通性能，即截止阀的流量系数值，也引起各大空调厂商越来越多的重视，因此有必要对截止阀流通能力进行研究，了解影响截止阀流通能力的因素，进而提升其流通能力。

对于阀类流动的研究，之前也有很多研究，早期主要以试验为主[2]，优点是结果可靠，缺点是周期较长，成本较高。近些年来，计算流体力学的发展和计算机性能及仿真技术的提升，产品的工程设计和优化也逐步从理论计算和试验研究逐步向仿真与试验验证的方向过渡，国内外很多机构也对此进行了大量的研究，取得很好的成果[3-10]。本文利用Altair公司仿真平台HyperWorks的前处理模块HyperMesh对某空调用截止阀进行网格划分前处理，使用基于有限元方法的AcuSolve求解器进行分析计算，并将仿真分析结果与试验结果进行对比，验证仿真分析模型和方法的准确性，为后续新品开发和结构优化提供参考。

1 控制方程及流通性能参数

1.1 质量方程

截止阀流量系数测试过程中，通过截止阀管路的流体介质为常温状态下的水，可视为流体密度不变的稳定流动，质量守恒方程为：

P1=p2（1）

V1A1=V2A2=Q式中：p为水的密度，kg/m3;V为流速，m/s;A为截面面积，m2;p为体积流量，m3/s。

式（1）表示进出口截面A处的体积流量Q相同，流体密度p相同，因此流体质量也相同。

1.2 伯努利方程

伯努利方程的实质是能量守恒，与本文中对应的流体流动，伯努利方程可表达为：速度压头+几何压头+压力压头=常数。分别用hv、hg和hp表示上述几个压头，压头单位为m。速度压头是由流体速度产生的高度，几何压头是流体所处的位置高度，压力压头是流体重量所产生的高度。

其中，下标1和2分别表示所选取的截面，式（3）表示当流体稳定流动时，管路上任何位置截面的总压头为常数。

流体在水平放置截止阀流动过程中，在截止阀阀门前后速度一致的情况下，阀门前后会产生一定的压力下降，也称截止阀进出口压差。由于能量守恒，那么下降的压力必然转化为流体的内能，因此实际的流体伯努利方程式为：

1.3 截止阀的阻力系数

通过截止阀前后的压差可以表示为流体流经阀门的能力损失，因此理想流体经过截止阀的能量压头损失表示为：

1.4 截止阀流量系数

根据国标CBT 30832-2014《阀门流量系数和流阻系数试验方法》，流量系数Kv定义为5-40℃温度范围的水流经阀门，两端压差为100 kPa时，以m3/h计的流量数值，为Kv值[13]。流量系数Kv计算公式为：

2 数值模型及分析设置

本文采用Altair公司HyperWorks仿真平台的CFD软件AcuSolve进行截止阀流通性能分析。该软件可用于不可压缩到微可压缩范围（马赫数小于1）的复杂流动分析。由于AcuSovle基于有限元法，因此不但计算过程收敛速度较快，而且精度也较高。AcuSolve采用基于完全非结构化网格的有限元法，在完全非结构四面体网格上保持高度的精确性，利用四面体网格自动生成方式可以大幅度降低网格生成的难度，提升分析效率。对于空调用截止阀这种小型部件，尤其是阀芯位置处特征较小的部位，有很好的适用性。AcuSolve的物理模型也较为丰富，可以计算层流、湍流、无粘流等流动分析工况。

2.1 研究模型

本文研究对象为空调用截止阀，在三维设计软件SolidWorks中建立流通内径分别为4 mm、8 mm、10 mm和13 mm四种规格的几何三维数据，命名分别为DC4、DC8、DC10和DC13。本文所有建模和分析图示都以4 mm内径规格的截止阀为例，如圖1所示。研究内容为截止阀内部的流动，暂不考虑制冷剂局部压力变化形成的相变流动。其中，在制冷工况下，图中截止阀阀座相连接接管为进口接管，阀身侧面相连接的接管为出口接管;在制热工况下，制冷剂的流动方向与制冷工况相反。

2.2 网格模型建立

计算网格的质量是数值计算精度和计算速度的保证，本文采用HyperWorks仿真平台专业前处理工具Hy-perMesh进行几何前处理和网格划分，在网格划分前对计算域进行流道抽取，划分网格时对阀芯等几何特征较小的地方进行加密，避免几何失真，保证精度，提高计算的准确性。计算表面网格总数约312 994，节点数量为156 499，计算域如图2所示，表面网格模型阀芯处局部放大图如图3所示。

分析模型的体网格在AcuSolve的求解前处理模块AcuConsole进行设置和生产。考虑计算精度和准确性，设定体网格整体尺寸为，阀芯处加密尺寸为，边界层设定为3层，边界层厚度为3 mm，提交生成计算体网格总数为3 251 978，网格节点数为932 445。计算域体网格模型局部图如图4所示，对体网格模型进行切面处理，查看内部网格模型，局部区域界面图如图5所示。

2.3 边界条件设置

为了与试验结果进行对比，边界条件的设置与工程实际尽量一致，工况参照国标CBT 30832-2014《阀门流量系数和流阻系数试验方法》，流动方向为制冷工况下工质流动方向，具体边界设置如下：流动工质为水，人流均匀，工作状态下，流体域进口为压力边界条件，由于进出口管径相同，指定进出口边界压力统一为静压，设定压力值为0.1 MPa;流体域出口指定压力边界条件，静压为0 Pa。同时需要对边界条件做一些简化设定：（1）不考虑换热对流动的影响，包括辐射换热、对流换热等;（2）流动过程压力和速度较低，认为工质水为不可压缩流体;（3）进出口压力恒定。

对于文中截止阀内部纯流动问题，AcuSolve中湍流模型选择RANS模型的k一ω模型，该模型是两方程湍流模型，基于湍动能k及ω，ω要比ε更容易求解，主要应用在内部流动，对于射流、带有分离流的问题具有很好的符合性，由ε于截止阀内部流动中具有以上特点，所以选择k-ω模型可以很好地描述截止阀的流动物理特性，制冷工况下计算边界的设置如图6所示。

2.4 数学模型

控制方程式基本守恒定律的数学描述，控制方程一般包括质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程。文中的计算工质为不可压缩的水，其控制方程如下。

3 计算结果

将HyperMesh中建立的DC4表面单元模型导出成.nas格式后导入AcuConsole中进行体网格生成后，提交由求解器AcuSolve计算。求解结束后在AcuConsole界面下打开后处理模块AcuFieldView，进行分析结果查看。图7-8分别为DC4截止阀模型X中心截面的压力云图和速度云图。从压力云图可以看出，水从截止阀接管入口进入截止阀后，在阀芯处由于流体受到正面阻力，水流直接冲击该处位置，导致这个地方的压力最大;流体在此发生90°转弯，在阀芯向出口接管方向流动过程中，有部分流动滞止区，发生能量损失。与之对应的速度云图中也可以看出，在阀芯处流体直接冲击该处，导致这个位置的速度较低，在流体发生流动转向后，发生局部流动分离，出口接管上部的流体流速较大，而下部区域存在局部流动死区，流速较低。

图9所示为DC4表面压力云图，从图中可以看到，总体压力进口端明显高于出口端，且最高压力出现在截止阀突出位置阀芯处，在流体转向位置区域的压力较小，在此处有流体的能量损失。

4 仿真与试验对比

分别建立DC4、DC8、DClO和DC13的CFD仿真模型，并提交AcuSolve进行仿真分析，CFD仿真分析软件不能直接输出截止阀流通性能指标流量系数凰值，只能输出流量，然后通过文中式（8）进行换算，表1所示为截止阀流量系数仿真结果与试验结果的对比情况，其中试验数据为同一种产品规格重复测试3次结果的平均值。

从表1可以看出，4种规格的截止阀流量系数试验数值和仿真结果十分吻合，最大误差为3.47%，最小的误差仅为1.78%，全部低于工程常用5%误差以下的考察标准。利用趋势曲线图可以更加直观地看到仿真和试验对比的吻合程度，如图10所示。验证了仿真模型和方法的准确性和有效性，证明可以利用CFD仿真的方法进行截止阀结构流通能力的验证，后续产品设计过程中可以快速对设计方案进行流通能力评估，以及产品结构的优化和验证。

5 结束语

（1）利用三维设计软件Solidworks建立了4种型号的空调用截止阀三维数据模型，并在HyperWorks仿真平台下进行模型的有限元处理，为下一步截止阀的流通性能计算做好准备。

（2）利用HyperWorks的CFD模块对空调用截止阀流通性能进行CFD仿真计算，并将4种规格截止阀产品的计算结果与试验结果进行对比，仿真计算结果与试验结果的误差均在工程允许的5%范围内，证明仿真模型的准确性，可以利用CFD仿真技术对截止阀流通性能进行分析和优化，对产品开发具有一定的理论指导和借鉴意义。

参考文献：

[1]陆婷婷，王静，刘宇轩，等，行业标准JB/T 10648-2017的解析[J].制冷与空调，2018，18（4）：5-7.

[2]庞秀伟，王志涛.关于两相介质调节阀的流通能力试验研究[J].黑龙江电力。2010（6）：454-457.

[3]刘晓凯，袁林枫.基于SolidWorks Flow Simulation大口径蝶阀流场分析及结构对比[J].智能制造，2016（8）：46-49.

[4]彭健，何世权。尚宣.角式调节阀两相流模拟与结构改进[J].轻工机械，2018（5）：82-86.

[5]韩志杰，刘恩福。刘振宇，等.基于CFD的三偏心蝶阀的流场特性研究及优化[J].机械设计与制造，2015（12）：185-189.

[6]赵宇，李大猛，基于CFX给水泵最小流量阀流体性能仿真分析[J].通用机械，2017（2）：62-64.

[7]武世敏，周维琴.基于CFX的迷宫式调节阀内流场流动特性的仿真[J].机床与液压，2014（23）：127-130.

[8]李青.调节阀及其流通能力的研究[J].机械工程与自动化，2019（4）：130-132.

[9]袁新民，贺国治，毛根海.用RNC k-e紊流模型对截止阀三维紊流流动的数值模拟[J].流体机械，2006（2）：34-38.

[10]Song X G，Wang L，Young C P.Transient Analysis of 3-D FlowThrough LNG Marine Control Valves for Their Advanced Design[J]. Journal of Mechanical Science and Technology，2008（22）：1998-2005.

[11]趙志琦.直通式截止阀的流场分析对比与试验研究[D].兰州：兰州理工大学。2016.

[12]周晨.不同角度Y型截止阀阀体的流通性能和强度分析及优化[D].兰州：兰州理工大学，2016.

[13] GBT30382-2014，阀门流量系数和流阻系数试验方法[S].

[14]王福军，计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

[15]陶文铨，数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.