供气调节阀内部流场数值模拟研究

摘 要：文章以过热蒸汽为介质，利用FLUENT软件对供气调节阀进行数值模拟分析，验证了调节阀数值模拟的可行性。通过数值模拟获得了调节阀内部流场、压力场并进行了分析。研究成果对揭示调节阀内部场分布规律，改进调节阀性能具有一定的指导意义。

关键词：供气调节阀；数值模拟；流场；压力场

引言

调节阀是过程工业中的终端控制元件，能够完成对流量等参数的控制。随着调节阀技术的不断发展与自动化程度的不断提高，调节阀已越来越广泛的应用于不同的工业部门。考虑到调节阀在整个控制系统中的重要地位，对调节阀进行详尽的分析和性能上的改进，对于整个系统性能的提高具有十分重要的意义[1]。

1 调节阀的工作原理与理论流量及流量系数计算方程

调节阀是一种节流元件，可以改变通过阀门的流体的流动阻力。可根据执行机构传来的控制信号，通过改变调节阀芯的行程来改变阀芯与阀座之间的节流面积，继而通过改变阀门的阻力系数，来改变通过调节阀的流量。对于阀门内流动的流体，可用流体力学方程来描述，伯努利方程可用来描述流动流体机械能的转换关系，应用实际工况下的流体伯努利方程式，可导出流体流过调节阀的流量公式。相关计算公式如下。

流量系数为流体流经阀门产生单位压力损失时流体的流量，是衡量阀门流通能力的重要指标[2]。当各量取国际单位制时，流量系数可用下式表示。

2 几何模型的建立及网格的划分

本文研究的为某类型供气调节阀，其结构见图1，由结构图以及阀门型号得其各项参数为：公称压力为2.5MPa，公称通径为45mm，总长为252mm，流体从左端流入，右端流出，通过调节阀芯的高度，可以改变流通截面积，从而实现调节流量的目的。

2.1 流道模型的建立

文章利用FLUENT前处理器GAMBIT三维建模软件，根据流道的几何尺寸与阀芯的位置，对流体的通道进行三维建模，而且针对不同的开度进行建模。调节阀全开度的几何实体模型如图2。

2.2 网格划分

调节阀全开度时化分网格结构，化分阀芯顶端加密网格，整个流道网格数为442211个，并进行网格无关性检验。对不同开度下的流道模型进行同样的网格划分操作，就可以得到不同开度下的网格文件。

3 求解设置与边界条件

3.1 求解设置

在GAMBIT划分的计算域网格读入FLUENT求解器中，检查网格质量，确保在没有负体积网格出现，再进行求解计算。选择稳态流动，分离式解法，隐式的全场迭代解法。由于计算域结构相对较复杂，流动比较复杂，并且流体为不可压粘性流体，所以选用适合于工程问题的标准？资-？着湍流模型[3]。对阀门中的工质为过热蒸汽的条件进行了数值模拟研究。

3.2 边界条件

进口设置为压力进口边界条件，出口设置为压力出口边界条件。阀门内工质进口压力为1.2MPa，出口压力为0.7MPa的条件下进行流场的模拟。

4 流场分析

数值模拟采用的边界条件为压力进口与压力出口边界条件，进口压力为1.2MPa，出口压力为0.7MPa，保持进出口的压力不变。对全开度工况进行数值模拟。

该调节阀工质为过热蒸汽（参数为进口压力1.2MPa，出口压力0.7MPa，温度为285℃）时，流开型流向压力与速度分布云图如图3、图4所示。

由以上分析可知，工质为过热蒸汽时流开型流场的压力速度在阀门进口处几乎不变，流经阀门后降低，压力中腔及出口支管处大小呈现均匀分布，最低处在阀门出口支管；流速最高的区域为阀瓣与阀体座之间的区域，出口流道内的流速分布不均匀，容易产生涡流。

5 结束语

通过对阀门流量系数数值模拟分析计算，得到了用CFD软件所得到了工质为过热蒸汽流经调节阀时的阀体内部压力与速度场的云图，说明CFD软件适合用来模拟阀门内部流场。

参考文献

[1]李斌.基于CFD的调节阀内部流场的研究[D].兰州：兰州理工大学，2009.

[2]陆培文.实用阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，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）.

推荐访问:供气 数值 调节阀 模拟 研究