CFD数值模拟在调节阀中的试验分析

调节阀是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置，它是组成工业自动化系统的重要执行输出环节。调节阀的品种多、规格多，可靠性差，其流量特性与工业过程被控对象特性不匹配，易造成控制系统品质变差。调节阀是耗能设备，应降低调节阀的能耗，提高能源的利用率，对通道中流线不连续的部位进行结构改进优化，使其的流动性能更好。

    1　CFD数值模拟

    1.1　理论基础

    计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）是研究流体在流场中压力与流速分布规律的一门学科。质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律是研究流体动力性质的主要理论基础。

    1.1.1　质量守恒方程（又称为连续性方程）

    微分形式为：

    1.1.2　动量守恒方程

    动量守恒方程的实质为牛顿运动第二定律，按照这一定律对于牛顿流体，可得出在三个坐标轴上的动量守恒方程为：

    式中ρ为流体微元体上的压力；S_u、S_v、S_w为动量守恒方程的广义源项。

    1.1.3　能量守恒方程

    能量守恒方程的矢量形式为：

    1.1.4 控制方程的通用形式

    为了便于分析，并用同一程序对各控制方程进行求解，可以建立各方程的通用形式。比较式（1）、（2）、（3），可以看出，尽管这些方程中因变量各不相同，但它们均反映了单位时间和单位体积内物理量的守恒性质。如果用f表示通用变量，则上述各控制方程都可以表示成以下通用形式：

    所有控制方程都可经过适当的数学处理，将方程中的因变量、时变项、对流项和扩散项写成标准形式，然后将方程右端的其余各项集中在一起定义为源项，从而化为通用微分方程，我们只需要考虑通用微分方程（4）的数值解，写出求解方程（4）的源程序，就足以求解不同类型的流体流动及传热问题。

    1.2　CFD软件简介

    目前比较好的CFD软件有：FLUENT、CFX、PHOENICS、STAR-CD。

    1.2.1　FLUENT

    FLUENT是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。FLUENT的软件设计基于CFD软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，FLUENT软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。

    1.2.2　CFX

    CFX是由英国AEA公司开发，是一种实用流体工程分析工具，用于模拟流体流动、传热、多相流、化学反应、燃烧问题。CFX采用有限元法，自动时间步长控制，SIMPLE算法，代数多网格、ICCG、Line、Stone和BlockStone解法。能有效、精确地表达复杂几何形状，任意连接模块即可构造所需的几何图形。

    1.2.3　PHOENICS

    PHOENICS是英国CHAM公司开发的模拟传热、流动、反应、燃烧过程的通用CFD软件，可以对三维稳态或非稳态的可压缩流或不可压缩流进行模拟，包括非牛顿流、多孔介质中的流动，并且可以考虑粘度、密度、温度变化的影响。在流体模型上面，PHOENICS内置22种适合于各种Re数场合的湍流模型，包括雷诺应力模型、多流体湍流模型和通量模型及模型的各种变异，共计21个湍流模型，8个多相流模型，10多个差分格式。

    1.2.4　STAR-CD

    STAR-CD是基于有限容积法的通用流体计算软件，在网格生成方面，采用非结构化网格，单元体可为六面体，四面体，三角形界面的棱柱，金字塔形的锥体以及六种形状的多面体，还可与CAD、CAE软件接口，如ANSYS，IDEAS，NASTRAN，PATRAN，ICEMCFD，GRIDGEN等，这使STAR-CD在适应复杂区域方面的特别优势。

    2　CFD方法在调节阀中应用

    随着电子计算机和CFD的迅猛发展，CFD数值模拟的优越性越来越明显，己逐渐成为工程设计的一个很重要的辅助手段。近年来，在阀门设计中CFD数值模拟也得到应用，CFD已在很多专业领域获得了广泛应用，从化工行业到飞机制造业，从汽车工业到环境科学，都有成功应用CFD的例子。在阀门行业中，CFD数值模拟计算已经开始应用如在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、ATS调节阀。

    3　实例应用分析

    3.1　调节阀结构与建模

    采用某一型号套筒调节阀，其内部结构如图1所示，公称通径为200mm，总长为1000mm。流体的流动方向为左进右出，通过调节阀芯的行程，可以改变套筒的流通面积，从而实现调节流量的目的。

图1　调节阀内部结构图

    利用三维建模软件，根据流道的几何尺寸和与套筒的装配关系，对流体流过的通道进行三维几何建模，针对不同开度分别建模。调节阀开度为90%的几何实体模型如图2所示。

图2　调节阀90%开度流道剖面示意图

    3.2　网格划分

    将三维几何实体导入GAMBIT进行计算前的处理工作。确定了计算域之后，用GAMBIT对其进行非结构化网格划分，流道网格划分采用四面体网格，划分后网格数为18万左右。调节阀开度为100%的流道网格划分如图3所示。设定进出口的边界条件分别为压力进口和压力出口等。

图3　调节阀100%流道网格划分示意图

    3.3　定常流动的数值模拟

    将GAMBIT导出的网格文件读入FLUENT后，进行选择求解器、求解方程及模型（选用适合于工程问题的κ-ε标准湍流模型）、设置流体物性为水、设置边界条件、进行流场初始化、设定控制参数、定义迭代次数等操作就可以得出求解结果。对开度100%时进行流场分析。

    对进出口压差为146.538kPa条件下，取该调节阀的全部流道和对称面进行分析，研究其内部的流场分布情况。全部流道上压力云图和对称面上速度等值线图为别为图4和图5。

图4　压力云图

图5　对称面上速度等值线图

    从压力分布图4可以看出，进出口压力较为均匀，分别为146.538kPa和0kPa左右，进出口压差较大，流道的压降主要用于克服调节阀前后的阻力。从速度等值线图5中可以看出，进口流速比较均匀，出口流速分布不是非常均匀，大约都在3m/s左右，在阀道左下部和右上部阀道中，有较大范围的涡动，可以考虑改变流道进行优化。

    4　结束语

    通过CFD数值模拟得出调节阀内的流场可视化图形，对流场可以进行分析，对优化阀门流道具有一定指导意义。