閥口形狀對套筒調(diào)節(jié)閥調(diào)控特性的影響

為了滿足管道系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能的要求，本文基于計算流體力學(xué)（CFD），研究了閥口節(jié)流截面形狀對套筒調(diào)節(jié)閥調(diào)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(jié)流閥。結(jié)果表明，流道的幾何形狀對流量系數(shù)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(nèi)部流動更為復(fù)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(yīng)力；
τij′--由速度波動引起的雷諾應(yīng)力； d ——閥門進(jìn)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(shù)；
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(chǎn)指數(shù)；
i，j ——下標(biāo)，笛卡爾坐標(biāo)系中的 3 個方向。

引言

控制閥主要用于控制管道系統(tǒng)中的流體流動。 套筒調(diào)節(jié)閥是控制閥門的一種，其特點是內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)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(diào)節(jié)閥不同節(jié)流段的流量特性進(jìn)行研究，可以為調(diào)節(jié)閥的優(yōu)化提供參考。

Guillermo 等［1］，使用計算流體動力學(xué)（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(xué)波形，對識別球閥內(nèi)的空化具有很［4］開發(fā)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(shù)化建模的方法。

Claudio［5］研究了通過球閥和閘閥的流量，并改進(jìn)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(jié)果的準(zhǔn)確性。 Garcia-Sandoval 等［7］利用熱力學(xué)對閥內(nèi)熵產(chǎn)生的 Lyapunov 候選函數(shù)進(jìn)行了分析，并提出了一種基于閥內(nèi)熵產(chǎn)生的系統(tǒng)。計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)是分析流體機［ ］械內(nèi)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(yè)軟件 FLUENT 分析了套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動特性和相關(guān)系數(shù)。

1 數(shù)值模擬方法

湍流被認(rèn)為是具有不規(guī)則旋轉(zhuǎn)的高度復(fù)雜的三維非定常流動。使用標(biāo)準(zhǔn) k-ε 湍流模型，基本控制方程主要由連續(xù)性方程和 Navier-Stokes 方程組成。 連續(xù)性方程［12］可以寫成：

Navier-Stokes 方程［13］可以表示為：

計算網(wǎng)格如圖 3 所示。為了提高仿真效率，采用了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格技術(shù)，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(wǎng)格數(shù)從 302 萬到 315 萬不等。為了驗證網(wǎng)格數(shù)對計算結(jié)果的影響，研究了 3 種不同數(shù)量的網(wǎng)格。表 1 為網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果，在全開工況下，閥門上游 2D 和下游 6D 之間監(jiān)測壓降。結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)超過 300 萬時，壓降相似。為了提高計算的效率和精度，數(shù)值模擬采用了 300 萬網(wǎng)格模型。