基于CFD的调节阀内流场流动特性研究.pdf

2 0 1 1 年 1月 第 3 9卷 第 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S J a n ．2 0 1 1 Vo 1 ． 3 9 No ．1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 1 ． O O 2 基于 C F D的调节阀内流场 流动特性研究 潘永成 ，王 勇 ，谢 玉 东 山东大学机械工程学院，山东济南 2 5 0 0 6 1 摘要针对某调节阀，建立其三维流场模型。应用 C F D方法对调节阀内部流体流动特性进行仿真，得到该型号调节阀 内流场流动特性的三维可视化结果。根据仿真结果分析调节阀内部流场的流动特性 ，得到在阀芯不同开度下调节阀的理想 流量特性曲线以及相同开度下流量和压降的关系曲线 ，为后续的阀门故障诊断及流动性能优化等研究提供参考。 关键词 调节 阀；C F D；内部流场 ；流量特性 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 J 1 0 0 53 An a l y s i s o f I n ne r Fl o w Fi e l d Ch a r a c t e r i s t i c s o f a Co n t r o l Va l v e Ba s e d o n CFD P AN Yo n g c h e n g． W ANG Yo n g． XI E Yu d o n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y ， J i n a n S h a n d o n g 2 5 0 0 6 1 ，C h i n a Ab s t r a c t A t h r e e d i me n s i o n a l i n n e r fl o w fi e l d mo d e l o f a c o n t r o l v a l v e w a s b u i l t ．B a s e d o n t h e c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s t e c h n i q u e ，t h e t h r e e d i me n s i o n a l i n n e r fl o w fi e l d o f t h e c o n t r o l v a l v e wa s s i mu l a t e d ．T h e i n n e r fl o w fi e l d c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c o n t r o l v a l v e we r e a n a l y z e d ．T h e i d e a l fl o w c h a r a c t e ri s t i c s c u lT e i n d i ff e r e n t o p e n i n g a n d t h e fl o w p r e s s u r e d r o p C H I V e i n t h e s o me o p e n i n g o f t he v a l v e we r e g o t t e n．I t p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r t h e f o l l o wi ng t r o u bl e s ho ot i n g a n d fl o w pr o pe r t i e s o p t i mi z a t i o n o f t h e c o nt r o l v a l v e． Ke y wo r d s C o n t r o l v a l v e ；C F D；I n n e r fl o w fi e l d ；F l o w c h ara c t e ris t i c s 调 节阀是 自动化 技术 中最常见 的执行 元件 之一 ， 广泛应用于石油 、天然气 、化工 、电力 、冶金 等各个 工业部 门，是 工业 自动化 系统 中必不 可少 的 重要 环 节 。调节阀主要 由执行机构和阀门组成。作者 旨在通 过模拟某调节阀内流体流动，分析阀内流体的压力和 流量等物理量的特性曲线 ，为解决 实际应用 中的流体 压力波动及堵塞现象提供故障诊断时的依据。 由于流体力学数值求解的复杂性 ，工程中研究流 体流动较成 熟的方 法主要有 物理试验研究 和计算机仿 真研究。随着计算机技术和数值模拟技术 的快速发 展，应用 C F D对流体流动现象进行仿真研究 已成为 一 项普遍应用 的工 程分析技 术 。它具 有仿真 成本低 、 分析周期短、研究结果可靠等优点。在阀门行业中， 如电站调节阀的设计及优 化 ，液压锥 阀 、大 口径 环喷 式流量调节阀等都 已成功采用 C F D数值模拟计算。 发达 国家在产品设 计过程 中已运 用数值模 拟为 主 ，进 行设计方案 预选 ，再 以较少量试验来校核方案 的研究 思路成 功进 行产 品研发 。 研究过程 中合理假定调节 阀内流体介质为不可压 缩的黏性流体 ，计算时以水作为研究介质。无热能交 换 ，不可压缩黏性流体控制方程 由质量守恒 连续 性方程 和动 量守 恒方 程 N S方 程 组成 ，分 别 是 十 一 O w 0 1 O x O z 、 塑 塑 券 ，．， 一 古 ．tpL O 2uOt O X O y ’I， 一 二 L a名 。 D a 口 a 。 2 U W O t O y O Z 一古 雾 0 y c 雾 一 ～ ～ 一 一 一 L a x u o o 、 警 3 业 U V W O t O x O y O z g一寺 业 Oz 窘 一 二L L I 二 。 D D 、 4 式中M 、l ， 、W分别是 3个方 向的速度矢量，P 、P 、 分别是压力 、密度和动力黏度 。C F D求解过程 就是 采用有限元、有限差分以及有限体积法离散求解计算 域内流体的控制方程，以得到各节点处场变量的数 值 ，进 而对整个 流场进行插值求解 。 1 计算模型 1 ． 1 三维流 体模 型 的建 立 文 中所述 的调节 阀主要尺寸 为 入 口和 出口直径 2 4 0 ra i n，工程通径 2 0 0 I 1 3 ／ ／ 1 ，入 口和出 口距离7 0 0 m l n ， 收稿 日期 2 0 0 91 2 2 4 基金项目国家 8 6 3高技术发展计划项 目 2 0 0 8 A A 0 4 Z 1 3 0 ；济南市科技攻关资助项 目 2 0 0 7 0 5 0 4 5 作者简介潘永成 1 9 8 5 一 ，男，硕士研究生，研究方向为流体控制及智能检测。Em a i l p a n y e ma i l ． s d u ． e d u ． c n 。 6 机床与液压 第3 9卷 图 1 所示为阀芯 和阀体一体时模型截面示意图。调节 阀具有平面对称特性 ，仿真过程中只建立原模型的一 半作为研究对象 。为保证结果合理性 ，使进出 口不产 生 回流 ，对进 出 口处 流体 计算域 延 伸 5 0 0 m m。图 2 所示为阀芯开度 为 6 m m 1 0 ％ 时流体 区域 的三维 模型 一 一 图1 模型截面示意图 图2 流体模型 1 ． 2 网格 划分 进行仿真分析前，需要对流体部分进行网格划 分 。文 中采用的网格类型主要 为六 面体和 四面体 。其 中人 口及 出口的直管处流体部分采用六面体 ，中心处 的阀体结构复杂，此处流体则采用四面体网格。流体 和管道及 阀芯接触的壁面处 为计算敏感 区域 ，使用 了 厚度较小且逐渐增大的四面体和三棱柱网格。另外， 在 阀芯处附近采用 比其他地 方密集 的网格 。经过如此 处理 的模 型 即控 制 了计 算规模，同时保证计算 精度 。整个模 型有 6 0万 个 网格 ，1 5万 个 节 点 ， 所有 网格 质 量 系数 均 大 于 0 ． 2 ，完 全符 合 C F D 计 算 的精 度 要 求 。图 3 图3 网格模型 小 所示为 阀芯全开时的网格模 型 。 1 ． 3 物理模型及边界条件 调节 阀实际物理模型几何尺寸为 人 口及 出口直 径 2 4 0 m m，工程通径 2 0 0 m m，阀芯全行程为 6 0 m m， 取阀前后流体部分长度共 l 7 0 0 m m作为计算域。进 行流体流量特性的仿真时模型边界条件为人口压力 P ． 1 M P a ，出1 1 处压力P ， 0 M P a ，其余边界分别设 定 为对称 和光滑无滑移壁面条件 。湍流模 型设定 为工 程中广泛使用 的 j 2 ． 模型 。设定好上述求 解控制条件 后 ，即可分别求解所需 的不同 阀芯开度模型。在研 究 阀芯全开时流量 和压降关系 曲线 时，出 口处压力 P ， 0 M P a ，给入口施加不同压力值，以得到不同的 压降模型，其他求解参数与上述模型相同。 2流动特性可视化分析 图 4和 5分别是开度 5 0 ％时 ，压差为 1 M P a时调 节阀对称 面处的压力 云图和流体速度矢量分布图。综 合 图4和 5可看 出，流体在入 口及 出 E l 的直管处 压力 和速度变化平缓 ，进入节流 口时因节流作用导致流体 速度迅速增大 ，同时压力迅速减 小。在 阀芯流通面积 最小处流动速度达到最大，而压力值则出现了相对负 压。图6为计算域内的流线，可明显看出流体流经调 节阀过程中，在阀体右下区域出现流速极小的流动死 区 ，这对流体 的流动是不利的 。图 7所示为计算域 内 的湍流 动能云 图，表 明流体流过阀芯时湍 流发展变化 较大，在流体流过阀芯边缘瞬间时湍流发展变化最 大 ，这是流体流过 阀芯时流动变化剧烈的重要原 因。 P r e s s u r e P ra n e 1 1 O 7 o e o oo 8． 2 3 5 e． 0 O1 5 7 7 0 e- o o1 3． 30 6 e． O 0 8 41 8 e． 0 02 1 ． 5 22 e O 01 4 0 87 e ． O 01 -6． 5 51 e - O 01 -9． 01 5 e O 0 1 1 ． 1 4 8e - ． 0 0 0 29 3 e 0 01 81 6 e D O1 33 9 e o 01 85 2 e 0 O1 3 8 5 e 0 01 9 0 8 0 0 I 431 eoo1 5 4 0 e, 0 0 0 7 7 0 e O 0 0 0 o 0 e o o o 5 g e O 01 4． 7 e 十 00 1 4 1 7 1 e 0 0 1 3 5 7 6 e 0 01 2 9 8 2 e , 0 0 1 2． 3 8 B e O 0 1 7 9 3 e 0 0 1 1 1 9 9 e 0 口 1 6 0 4 6 e ． 0 0 0 一l 0 2 1 e． 0 0 【m s _ 1 ] 图 4 开度 5 0 ％的对称面压力云图 t一 图5 开度 5 0 ％的对称面速度矢量 图 6 开度 5 0 ％的流线 图 第 1 期 潘永成 等基于 C F D的调节阀内流场流动特性研究 7 T u r b u le n c e K in e t ic E n e r g y { C t o u r 1 } 图 7 开度 5 0 ％的湍流动能云图 3理想 流量 特性 曲线和 流量 压降 曲线 调节阀的理想 流量 特性 指 不考 虑 压差 变化 的影 响 ，介 质流 过 阀 门时相对 流量 和相 对 开度 之 间的关 系 。依据上述 的建模方法 ，设定压 差为 1 M P a ，对 阀 芯开度从 1 0 ％到全开之问的共 1 O个插值点分别进行 求解。不同开度下仿真结果如表 l 所示。图8所示为 调节 阀 的 拟 合 理 想 流量 特 性 曲线 。可 以看 出 ，在 1 M P a的压差下 ，随着调节阀开度增 大 ，流量也随之 增大。根据它 的变化趋势可判断 ，该平板 阀芯调节 阀 的理想流量特性接近快开特性 。由生产经验可知 ，平 板型 阀芯 的流量 曲线是 快 开特性 的 ，与 仿真 结果 吻 合 ，这从侧面反映了仿 真结 果的可靠性 。 该调节阀在实际应 用中前后压差 约 2 ． 3 M P a ，故 取全开时 0～3 MP a间 的压 差研 究 流量 一压 差关 系 。 图 9 是 阀芯全开及开度 5 0 ％时压差 0～ 3 MP a间共 l 2 个插值点的流量压差拟合曲线。 表 l 压 差 1 MP a 调节 阀的流量特性 墓 。 ． 舞 0 ． 煺 0 垂 图8 理想流量特性曲线 图9 流量压差曲线 可 以看 出，在相 同的流通 面积 时 ，前后压 差大 ， 流量也相应增大 。在 压差增 大到一定值时 ，继续增加 压差并不能 明显使流 量提高 。在调节 阀实际应 用时 ， 应 当综合考虑压差和 阀芯开度二者 对流量 的影响 。 4结论 调节 阀是 工业 自动化 中的重要 环 节 ，应 用 C F D 方法对调节阀 内部流场进行离散求解是可行 的，能够 得到流场的流量、压力分布以及流线 、能量损失等物 理量的可视化结果。分析结果表明 1 调节 阀流动过程 中内流场 的流通 面积越 小 ， 节流作用越明显 ，相应 的压力将变小 ，同时流动速度 将提高 。节流处湍流 动能变化 大 ，湍流 易发展变 化 ， 流体流动变化剧烈 ，流动阻力较大 ； 2 当调节 阀前后 压差 不变 时 ，出 口流 量与 调 节阀及阀芯开度 密切 相关 。阀芯开度越大 ，流量也越 大。阀芯线形 为平板 型时 ，调节 阀的流量特性为快开 特性 ，其 打 开 过 程 中能 够 快 速 增 大 流 量 ，在 开 度 2 0 ％时 ，流量百分 比就能够达到约 5 0 ％以上 ； 3 阀芯开度保持不变时，调节阀的出 口流量 和前后 压差有密切关 系 ，增大进出 口压差 ，能够 相应 地增加 出 口流量 。但随着进 出口压差的增大 ，每增加 单位进 出口压差量带来 的流量增量将逐步减小。 参考文献 【 1 】C e d a r G r o v e ．F l o w r e g u l a t i n g v a l v e s [ M] ．N e w J e r s e y Pl a s t 一 0 Ma t i c Va l v e s I n c， 1 9 97． 【 2 】 T u s t i n ． P r e s s u r e r e g u l a t i n g v a l v e s [ M] ． C a l i f o r n i a G e o r g e F i s c h e r I nc， 1 9 95． 【 3 】K a z m e r D， G u p t a D， Mu n a v a l l i M， e t a 1 ． D e s i g n a n d p e r - 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