近年來，在閥門行業(yè)中CFD數(shù)值模擬計算已經(jīng)開始應(yīng)用，如在電站調(diào)節(jié)閥的設(shè)計及優(yōu)化，液壓錐閥、大口徑環(huán)噴式流量調(diào)節(jié)閥、ATS調(diào)節(jié)閥等。
調(diào)節(jié)閥是過程控制系統(tǒng)中用動力操作去改變流體流量的裝置，調(diào)節(jié)閥在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中是必不可少的，它是組成工業(yè)自動化系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)閥的品種多、規(guī)格多，可靠性差，調(diào)節(jié)閥的流量特性與工業(yè)過程被控對象特性不匹配，造成控制系統(tǒng)品質(zhì)變差。調(diào)節(jié)閥是耗能設(shè)備，應(yīng)降低調(diào)節(jié)閥的能耗，提高能源的利用率，對流道中流線不連續(xù)的部位進行結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化，使其流動性能更好。
1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及流道模型建立
1.1 調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)與建模
文中采用某一型號套筒調(diào)節(jié)閥，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，公稱通徑為200mm，總長為1000mm。流體的流動方向為左進右出，通過調(diào)節(jié)閥芯的行程，可以改變套筒的流通面積，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。
圖1 調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
利用三維建模軟件，根據(jù)流道的幾何尺寸和與套筒的裝配關(guān)系，對流體流過的通道進行三維幾何建模，針對不同開度分別建模。調(diào)節(jié)閥開度為90%的幾何實體模型如圖2所示。
圖2 調(diào)節(jié)閥90%開度流道剖面示意圖
1.2 網(wǎng)格劃分
將三維幾何實體導(dǎo)入GAMB II進行計算前的處理工作。確定了計算域之后，用GAMB II對其進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，流道網(wǎng)格劃分采用四面體網(wǎng)格，劃分后網(wǎng)格數(shù)為18萬左右。調(diào)節(jié)閥開度為100%的流道網(wǎng)格劃分如圖3所示。設(shè)定進出口的邊界條件分別為壓力進口和壓力出口等。
圖3 調(diào)節(jié)閥100%開度流道網(wǎng)格劃分示意圖
2 定常流動的數(shù)值模擬
將GAMB II導(dǎo)出的網(wǎng)格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程及模型(選用適合于工程問題的k-ε標準湍流模型)，設(shè)置流體物性為水，設(shè)置邊界條件，進行流場初始化，設(shè)定控制參數(shù)及定義迭代次數(shù)等就可以得出求解結(jié)果。
2.1 開度100%時流場分析
對進出口壓差為146.538kPa條件下，取該調(diào)節(jié)閥的全部流道和對稱面進行分析，研究其內(nèi)部的流場分布情況。全部流道上壓力云圖和對稱面上速度等值線圖分別為圖4和圖5。
圖4 壓力云圖
圖5 對稱面上速度等值線圖
從圖4可以看出，進、出口壓力較為均勻，分別為146.538kPa和0左右，進出口壓差較大，流道的壓降主要用于克服調(diào)節(jié)閥前后的阻力。
從圖5中可以看出，進口流速比較均勻，出口流速分布不是非常均勻，大約都在3m/s左右，在閥道左下部和右上部閥道中，有較大范圍的渦動，
可以考慮改變流道進行優(yōu)化。
2.2 不同開度下流量特性模擬
流量特性是指介質(zhì)流過閥門的相對流量與相對開度的關(guān)系。調(diào)節(jié)閥的流量特性是調(diào)節(jié)閥的最重要的指標之一，在前后壓差不變時得到的是理想流量特性。取前后壓差為4000kPa，針對不同開度進行數(shù)值模擬，計算結(jié)果如表1所示。
表1 不同開度下模擬結(jié)果
由不同開度下流量模擬得到理想流量特性曲線，如圖6所示。
圖6 流量特性模擬與試驗對比曲線
從圖6可以看出，數(shù)值模擬曲線和試驗曲線基本吻合，趨勢基本一致。通過比較，可以看出計算所得的該調(diào)節(jié)閥的流量特性是可靠的，為優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
3 流道改進優(yōu)化及比較
在閥道內(nèi)產(chǎn)生的旋渦形成劇烈紊動的分離回流區(qū)是水頭損失的主要原因，前面數(shù)值模擬的結(jié)果說明用曲率較大的圓弧連接形成的閥門通道并不是很合理。鑒于此，考慮閥門的安裝要求，只對閥門流道的下部和右半部分進行了改進，針對全開的情況下，以減小流道中的湍動能k和湍能耗散率ε為改進優(yōu)化的目標，對套筒以下的全部流道進行了改進，使其橫截面積減小。圖7、8分別表示改進前和改進后1、2模型的對稱面剖面圖。
圖7 改進前的對稱面剖面圖
圖8 改進后的對稱面剖面圖
在全開狀態(tài)下，仍以進、出口壓差146.538kPa為條件，取改進前、后的模型的全部流道和對稱面進行分析，如圖9、10所示，研究其內(nèi)部的流場分布情況。
圖9 改進前對稱面局部速度矢量圖
通過圖9、圖10可以看出，改進后的模型在閥門流道的左下部分也已經(jīng)基本上沒有旋渦，說明此處的流動情況有好的改善，在右側(cè)閥道的流動過程中旋渦區(qū)域也變小了，說明改進后的模型也對閥門內(nèi)流體的流動有較好的改善。表2為流道改進前、后的閥門內(nèi)部流場的湍動能k和湍能耗散率ε的模擬結(jié)果比較。
圖10 改進后對稱面局部速度矢量圖
表2 改進前后流場的能量耗散數(shù)值模擬結(jié)果比較
由表2可以看出，改進后的湍動能k比改進前有所下降，湍能耗散率ε增大的幅度非常小，若以湍動能k和湍能耗散率ε作為優(yōu)化的目標，則改進后的模型為最優(yōu)模型。這與從可視化圖形中得出的結(jié)果是一致的。
4 結(jié)論
4.1 在減小該調(diào)節(jié)閥流道中回流時，可以考慮適當減小下部及右半部分流道流通面積，可以有效減小流動中回流，從而減少流動的能量損失。
4.2 對于減少閥道內(nèi)產(chǎn)生的旋渦形成劇烈紊動的分離回流區(qū)是減少流體通過閥門水頭損失的較好的一種方法，該方法對其他類型閥門也具有指導(dǎo)意義。
