基于CFD的调节阀内流场流动特性研究

　　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CFD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CFD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

　　式中:u、v、w分别是3个方向的速度矢量,p、Q、L分别是压力、密度和动力黏度。CFD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240mm,工程通径200 mm,入口和出口距离700mm,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500 mm。图2所示为阀芯开度为6 mm (10% )时流体区域的三维模型。

　　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。其中入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60万个网格, 15万个节点,所有网格质量系数均大于0.2,完全符合CFD计算的精度要求。图3所示为阀芯全开时的网格模型。