邱宏軍

摘 要：文章以過(guò)熱蒸汽為介質(zhì)，利用FLUENT軟件對(duì)供氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)行數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬的可行性。通過(guò)數(shù)值模擬獲得了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chǎng)并進(jìn)行了分析。研究成果對(duì)揭示調(diào)節(jié)閥內(nèi)部場(chǎng)分布規(guī)律，改進(jìn)調(diào)節(jié)閥性能具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：供氣調(diào)節(jié)閥；數(shù)值模擬；流場(chǎng)；壓力場(chǎng)

引言

調(diào)節(jié)閥是過(guò)程工業(yè)中的終端控制元件，能夠完成對(duì)流量等參數(shù)的控制。隨著調(diào)節(jié)閥技術(shù)的不斷發(fā)展與自動(dòng)化程度的不斷提高，調(diào)節(jié)閥已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于不同的工業(yè)部門(mén)?？紤]到調(diào)節(jié)閥在整個(gè)控制系統(tǒng)中的重要地位，對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行詳盡的分析和性能上的改進(jìn)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)性能的提高具有十分重要的意義[1]。

1 調(diào)節(jié)閥的工作原理與理論流量及流量系數(shù)計(jì)算方程

調(diào)節(jié)閥是一種節(jié)流元件，可以改變通過(guò)閥門(mén)的流體的流動(dòng)阻力?？筛鶕?jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳來(lái)的控制信號(hào)，通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥芯的行程來(lái)改變閥芯與閥座之間的節(jié)流面積，繼而通過(guò)改變閥門(mén)的阻力系數(shù)，來(lái)改變通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量。對(duì)于閥門(mén)內(nèi)流動(dòng)的流體，可用流體力學(xué)方程來(lái)描述，伯努利方程可用來(lái)描述流動(dòng)流體機(jī)械能的轉(zhuǎn)換關(guān)系，應(yīng)用實(shí)際工況下的流體伯努利方程式，可導(dǎo)出流體流過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量公式。相關(guān)計(jì)算公式如下。

流量系數(shù)為流體流經(jīng)閥門(mén)產(chǎn)生單位壓力損失時(shí)流體的流量，是衡量閥門(mén)流通能力的重要指標(biāo)[2]。當(dāng)各量取國(guó)際單位制時(shí)，流量系數(shù)可用下式表示。

2 幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分

本文研究的為某類(lèi)型供氣調(diào)節(jié)閥，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，由結(jié)構(gòu)圖以及閥門(mén)型號(hào)得其各項(xiàng)參數(shù)為：公稱(chēng)壓力為2.5MPa，公稱(chēng)通徑為45mm，總長(zhǎng)為252mm，流體從左端流入，右端流出，通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯的高度，可以改變流通截面積，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。

2.1 流道模型的建立

文章利用FLUENT前處理器GAMBIT三維建模軟件，根據(jù)流道的幾何尺寸與閥芯的位置，對(duì)流體的通道進(jìn)行三維建模，而且針對(duì)不同的開(kāi)度進(jìn)行建模。調(diào)節(jié)閥全開(kāi)度的幾何實(shí)體模型如圖2。

2.2 網(wǎng)格劃分

調(diào)節(jié)閥全開(kāi)度時(shí)化分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，化分閥芯頂端加密網(wǎng)格，整個(gè)流道網(wǎng)格數(shù)為442211個(gè)，并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。對(duì)不同開(kāi)度下的流道模型進(jìn)行同樣的網(wǎng)格劃分操作，就可以得到不同開(kāi)度下的網(wǎng)格文件。

3 求解設(shè)置與邊界條件

3.1 求解設(shè)置

在GAMBIT劃分的計(jì)算域網(wǎng)格讀入FLUENT求解器中，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確保在沒(méi)有負(fù)體積網(wǎng)格出現(xiàn)，再進(jìn)行求解計(jì)算。選擇穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，分離式解法，隱式的全場(chǎng)迭代解法。由于計(jì)算域結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，流動(dòng)比較復(fù)雜，并且流體為不可壓粘性流體，所以選用適合于工程問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)？資-？著湍流模型[3]。對(duì)閥門(mén)中的工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽的條件進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

3.2 邊界條件

進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。閥門(mén)內(nèi)工質(zhì)進(jìn)口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa的條件下進(jìn)行流場(chǎng)的模擬。

4 流場(chǎng)分析

數(shù)值模擬采用的邊界條件為壓力進(jìn)口與壓力出口邊界條件，進(jìn)口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa，保持進(jìn)出口的壓力不變。對(duì)全開(kāi)度工況進(jìn)行數(shù)值模擬。

該調(diào)節(jié)閥工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽（參數(shù)為進(jìn)口壓力1.2MPa，出口壓力0.7MPa，溫度為285℃）時(shí)，流開(kāi)型流向壓力與速度分布云圖如圖3、圖4所示。

由以上分析可知，工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽時(shí)流開(kāi)型流場(chǎng)的壓力速度在閥門(mén)進(jìn)口處幾乎不變，流經(jīng)閥門(mén)后降低，壓力中腔及出口支管處大小呈現(xiàn)均勻分布，最低處在閥門(mén)出口支管；流速最高的區(qū)域?yàn)殚y瓣與閥體座之間的區(qū)域，出口流道內(nèi)的流速分布不均勻，容易產(chǎn)生渦流。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)閥門(mén)流量系數(shù)數(shù)值模擬分析計(jì)算，得到了用CFD軟件所得到了工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)的閥體內(nèi)部壓力與速度場(chǎng)的云圖，說(shuō)明CFD軟件適合用來(lái)模擬閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]李斌.基于CFD的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[2]陸培文.實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：123.

[3]Harlow F H，Welch J E.Numrical calculation of time dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface. The Physicsoffluids， 1965， 8（2182-2189）.endprint

摘 要：文章以過(guò)熱蒸汽為介質(zhì)，利用FLUENT軟件對(duì)供氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)行數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬的可行性。通過(guò)數(shù)值模擬獲得了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chǎng)并進(jìn)行了分析。研究成果對(duì)揭示調(diào)節(jié)閥內(nèi)部場(chǎng)分布規(guī)律，改進(jìn)調(diào)節(jié)閥性能具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：供氣調(diào)節(jié)閥；數(shù)值模擬；流場(chǎng)；壓力場(chǎng)

引言

調(diào)節(jié)閥是過(guò)程工業(yè)中的終端控制元件，能夠完成對(duì)流量等參數(shù)的控制。隨著調(diào)節(jié)閥技術(shù)的不斷發(fā)展與自動(dòng)化程度的不斷提高，調(diào)節(jié)閥已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于不同的工業(yè)部門(mén)。考慮到調(diào)節(jié)閥在整個(gè)控制系統(tǒng)中的重要地位，對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行詳盡的分析和性能上的改進(jìn)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)性能的提高具有十分重要的意義[1]。

1 調(diào)節(jié)閥的工作原理與理論流量及流量系數(shù)計(jì)算方程

調(diào)節(jié)閥是一種節(jié)流元件，可以改變通過(guò)閥門(mén)的流體的流動(dòng)阻力?？筛鶕?jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳來(lái)的控制信號(hào)，通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥芯的行程來(lái)改變閥芯與閥座之間的節(jié)流面積，繼而通過(guò)改變閥門(mén)的阻力系數(shù)，來(lái)改變通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量。對(duì)于閥門(mén)內(nèi)流動(dòng)的流體，可用流體力學(xué)方程來(lái)描述，伯努利方程可用來(lái)描述流動(dòng)流體機(jī)械能的轉(zhuǎn)換關(guān)系，應(yīng)用實(shí)際工況下的流體伯努利方程式，可導(dǎo)出流體流過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量公式。相關(guān)計(jì)算公式如下。

流量系數(shù)為流體流經(jīng)閥門(mén)產(chǎn)生單位壓力損失時(shí)流體的流量，是衡量閥門(mén)流通能力的重要指標(biāo)[2]。當(dāng)各量取國(guó)際單位制時(shí)，流量系數(shù)可用下式表示。

2 幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分

本文研究的為某類(lèi)型供氣調(diào)節(jié)閥，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，由結(jié)構(gòu)圖以及閥門(mén)型號(hào)得其各項(xiàng)參數(shù)為：公稱(chēng)壓力為2.5MPa，公稱(chēng)通徑為45mm，總長(zhǎng)為252mm，流體從左端流入，右端流出，通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯的高度，可以改變流通截面積，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。

2.1 流道模型的建立

文章利用FLUENT前處理器GAMBIT三維建模軟件，根據(jù)流道的幾何尺寸與閥芯的位置，對(duì)流體的通道進(jìn)行三維建模，而且針對(duì)不同的開(kāi)度進(jìn)行建模。調(diào)節(jié)閥全開(kāi)度的幾何實(shí)體模型如圖2。

2.2 網(wǎng)格劃分

調(diào)節(jié)閥全開(kāi)度時(shí)化分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，化分閥芯頂端加密網(wǎng)格，整個(gè)流道網(wǎng)格數(shù)為442211個(gè)，并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。對(duì)不同開(kāi)度下的流道模型進(jìn)行同樣的網(wǎng)格劃分操作，就可以得到不同開(kāi)度下的網(wǎng)格文件。

3 求解設(shè)置與邊界條件

3.1 求解設(shè)置

在GAMBIT劃分的計(jì)算域網(wǎng)格讀入FLUENT求解器中，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確保在沒(méi)有負(fù)體積網(wǎng)格出現(xiàn)，再進(jìn)行求解計(jì)算。選擇穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，分離式解法，隱式的全場(chǎng)迭代解法。由于計(jì)算域結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，流動(dòng)比較復(fù)雜，并且流體為不可壓粘性流體，所以選用適合于工程問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)？資-？著湍流模型[3]。對(duì)閥門(mén)中的工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽的條件進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

3.2 邊界條件

進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。閥門(mén)內(nèi)工質(zhì)進(jìn)口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa的條件下進(jìn)行流場(chǎng)的模擬。

4 流場(chǎng)分析

數(shù)值模擬采用的邊界條件為壓力進(jìn)口與壓力出口邊界條件，進(jìn)口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa，保持進(jìn)出口的壓力不變。對(duì)全開(kāi)度工況進(jìn)行數(shù)值模擬。

該調(diào)節(jié)閥工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽（參數(shù)為進(jìn)口壓力1.2MPa，出口壓力0.7MPa，溫度為285℃）時(shí)，流開(kāi)型流向壓力與速度分布云圖如圖3、圖4所示。

由以上分析可知，工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽時(shí)流開(kāi)型流場(chǎng)的壓力速度在閥門(mén)進(jìn)口處幾乎不變，流經(jīng)閥門(mén)后降低，壓力中腔及出口支管處大小呈現(xiàn)均勻分布，最低處在閥門(mén)出口支管；流速最高的區(qū)域?yàn)殚y瓣與閥體座之間的區(qū)域，出口流道內(nèi)的流速分布不均勻，容易產(chǎn)生渦流。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)閥門(mén)流量系數(shù)數(shù)值模擬分析計(jì)算，得到了用CFD軟件所得到了工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)的閥體內(nèi)部壓力與速度場(chǎng)的云圖，說(shuō)明CFD軟件適合用來(lái)模擬閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]李斌.基于CFD的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[2]陸培文.實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：123.

[3]Harlow F H，Welch J E.Numrical calculation of time dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface. The Physicsoffluids， 1965， 8（2182-2189）.endprint

摘 要：文章以過(guò)熱蒸汽為介質(zhì)，利用FLUENT軟件對(duì)供氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)行數(shù)值模擬分析，驗(yàn)證了調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬的可行性。通過(guò)數(shù)值模擬獲得了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)、壓力場(chǎng)并進(jìn)行了分析。研究成果對(duì)揭示調(diào)節(jié)閥內(nèi)部場(chǎng)分布規(guī)律，改進(jìn)調(diào)節(jié)閥性能具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：供氣調(diào)節(jié)閥；數(shù)值模擬；流場(chǎng)；壓力場(chǎng)

引言

調(diào)節(jié)閥是過(guò)程工業(yè)中的終端控制元件，能夠完成對(duì)流量等參數(shù)的控制。隨著調(diào)節(jié)閥技術(shù)的不斷發(fā)展與自動(dòng)化程度的不斷提高，調(diào)節(jié)閥已越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于不同的工業(yè)部門(mén)。考慮到調(diào)節(jié)閥在整個(gè)控制系統(tǒng)中的重要地位，對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行詳盡的分析和性能上的改進(jìn)，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)性能的提高具有十分重要的意義[1]。

1 調(diào)節(jié)閥的工作原理與理論流量及流量系數(shù)計(jì)算方程

調(diào)節(jié)閥是一種節(jié)流元件，可以改變通過(guò)閥門(mén)的流體的流動(dòng)阻力?？筛鶕?jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳來(lái)的控制信號(hào)，通過(guò)改變調(diào)節(jié)閥芯的行程來(lái)改變閥芯與閥座之間的節(jié)流面積，繼而通過(guò)改變閥門(mén)的阻力系數(shù)，來(lái)改變通過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量。對(duì)于閥門(mén)內(nèi)流動(dòng)的流體，可用流體力學(xué)方程來(lái)描述，伯努利方程可用來(lái)描述流動(dòng)流體機(jī)械能的轉(zhuǎn)換關(guān)系，應(yīng)用實(shí)際工況下的流體伯努利方程式，可導(dǎo)出流體流過(guò)調(diào)節(jié)閥的流量公式。相關(guān)計(jì)算公式如下。

流量系數(shù)為流體流經(jīng)閥門(mén)產(chǎn)生單位壓力損失時(shí)流體的流量，是衡量閥門(mén)流通能力的重要指標(biāo)[2]。當(dāng)各量取國(guó)際單位制時(shí)，流量系數(shù)可用下式表示。

2 幾何模型的建立及網(wǎng)格的劃分

本文研究的為某類(lèi)型供氣調(diào)節(jié)閥，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，由結(jié)構(gòu)圖以及閥門(mén)型號(hào)得其各項(xiàng)參數(shù)為：公稱(chēng)壓力為2.5MPa，公稱(chēng)通徑為45mm，總長(zhǎng)為252mm，流體從左端流入，右端流出，通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯的高度，可以改變流通截面積，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。

2.1 流道模型的建立

文章利用FLUENT前處理器GAMBIT三維建模軟件，根據(jù)流道的幾何尺寸與閥芯的位置，對(duì)流體的通道進(jìn)行三維建模，而且針對(duì)不同的開(kāi)度進(jìn)行建模。調(diào)節(jié)閥全開(kāi)度的幾何實(shí)體模型如圖2。

2.2 網(wǎng)格劃分

調(diào)節(jié)閥全開(kāi)度時(shí)化分網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，化分閥芯頂端加密網(wǎng)格，整個(gè)流道網(wǎng)格數(shù)為442211個(gè)，并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)。對(duì)不同開(kāi)度下的流道模型進(jìn)行同樣的網(wǎng)格劃分操作，就可以得到不同開(kāi)度下的網(wǎng)格文件。

3 求解設(shè)置與邊界條件

3.1 求解設(shè)置

在GAMBIT劃分的計(jì)算域網(wǎng)格讀入FLUENT求解器中，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確保在沒(méi)有負(fù)體積網(wǎng)格出現(xiàn)，再進(jìn)行求解計(jì)算。選擇穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，分離式解法，隱式的全場(chǎng)迭代解法。由于計(jì)算域結(jié)構(gòu)相對(duì)較復(fù)雜，流動(dòng)比較復(fù)雜，并且流體為不可壓粘性流體，所以選用適合于工程問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)？資-？著湍流模型[3]。對(duì)閥門(mén)中的工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽的條件進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

3.2 邊界條件

進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口邊界條件，出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。閥門(mén)內(nèi)工質(zhì)進(jìn)口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa的條件下進(jìn)行流場(chǎng)的模擬。

4 流場(chǎng)分析

數(shù)值模擬采用的邊界條件為壓力進(jìn)口與壓力出口邊界條件，進(jìn)口壓力為1.2MPa，出口壓力為0.7MPa，保持進(jìn)出口的壓力不變。對(duì)全開(kāi)度工況進(jìn)行數(shù)值模擬。

該調(diào)節(jié)閥工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽（參數(shù)為進(jìn)口壓力1.2MPa，出口壓力0.7MPa，溫度為285℃）時(shí)，流開(kāi)型流向壓力與速度分布云圖如圖3、圖4所示。

由以上分析可知，工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽時(shí)流開(kāi)型流場(chǎng)的壓力速度在閥門(mén)進(jìn)口處幾乎不變，流經(jīng)閥門(mén)后降低，壓力中腔及出口支管處大小呈現(xiàn)均勻分布，最低處在閥門(mén)出口支管；流速最高的區(qū)域?yàn)殚y瓣與閥體座之間的區(qū)域，出口流道內(nèi)的流速分布不均勻，容易產(chǎn)生渦流。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)閥門(mén)流量系數(shù)數(shù)值模擬分析計(jì)算，得到了用CFD軟件所得到了工質(zhì)為過(guò)熱蒸汽流經(jīng)調(diào)節(jié)閥時(shí)的閥體內(nèi)部壓力與速度場(chǎng)的云圖，說(shuō)明CFD軟件適合用來(lái)模擬閥門(mén)內(nèi)部流場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]李斌.基于CFD的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場(chǎng)的研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2009.

[2]陸培文.實(shí)用閥門(mén)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：123.

[3]Harlow F H，Welch J E.Numrical calculation of time dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface. The Physicsoffluids， 1965， 8（2182-2189）.endprint