基于CFD的V型孔板调节球阀数值模拟研究

    0 引言

    现代工业设计中工程师主要采用现场试验研究和数值模拟方法两者相结合以实现互补，工程师通过现场试验方法获取阻力、压力降和功率等影响设计的参数。但在研发的过程中若完全采用现场试验方法来获得流量等数据，那将需投入大量的研发资金，并且延长了产品研发周期，不利于快速响应市场需求。国内对调节阀内部空化及汽蚀问题数值模拟研究处于空白阶段，现场试验也刚参考国外标准开始实施，但是实际上大型阀门企业几乎都忽视空化问题的研究，对核工业等特殊领域遇到的特殊工况问题甚至选择逃避，一般只以定期维护更换阀门装置来获取系统的稳定与可靠性。但问题实际上仍然存在。

    在设计涉及流场时应用CFD数值模拟技术，具有比现场试验法更好的经济效益，借助CFD软件工具可以大大减少现场试验的次数，同时在最终设计定型时条件允许也可采用现场试验方式来验证最终的设计结果，降低了研发设计成本，缩短了产品设计周期，快速响应市场需求，对提高阀门产品的设计水平和产品的经济效益具有十分重要的意义。

    1 调节阀孔板计算模型

    调节阀的调节原理与流量测量的孔板相似，都具有局部阻力的特性。调节阀借助阀芯的往复运动来改变其节流条件。因此，可以说调节阀是一个可变的节流元件；而其中所含孔板仅仅只是固定孔径比的调节流量的元件。所以，我们将调节阀模拟成孔板的节流形式，所建立的模型如图1、图2。

图1 调节阀孔板计算模型

图2 调节阀孔板模型

    我们在试验管道的上游1倍管径处测得上游绝对静压力P₁，下游0.5倍管径测得下游绝对静压力P₂，运行FloEFD软件进行流场的数值模拟分析主要步骤如图3。

图3 数值模拟分析步骤

    2 标准孔板的模拟结果及其分析

    2.1 孔板模拟数值参数

    根据调节阀关于流量试验装置中关于试验段的尺寸规范，我们采用β=0.15孔径比模型的试验数据，来验证孔板试验的正确性。孔板尺寸和数值模拟的相关参数有：孔板安装管道的内直径尺寸D=100mm，孔板内直径尺寸d=15mm，E=4mm，e=2mm，α=0.267。

    2.2 计算结果

    2.2.1 孔径比相同，雷诺数不同的压力分布图

    通过对孔径比相同，而雷诺数不同的模拟分析，我们可以得到的标准孔板模型在不同边界雷诺数下的特征线上压力分布图，见图4。

图4 标准孔板在不同雷诺数下压力分布图

    从图中我们发现雷诺数越大，压差就越小。当流体流经孔板的孔口时，压力值会急速下降，流到下游时，压力值会更低，会产生一定的空化现象。所以我们得出，当孔径比β=0.15时边界雷诺数越大，产生压差越大，空化数越小，从而液体空化程度越大，即空化现象越强烈。

    2.2.2 雷诺数相同，孔径比不同的压力分布图

    分别取标准孔板的三种模型，即β=0.1，0.2，0.3，在相同雷诺数为10000时的压力和速度矢量分布图，见图5。通过分析计算我们得到，当β=0.1时压差△P为23525Pa，β=0.2时压差为1645Pa，β=0.3时压差△P为418Pa。β=0.2时比β=0.3时的阻力大，由此可知，孔径比越大所受的阻力就越小，也越不容易发生空化现象，反之则容易发生空化现象。

图5 在不同孔径比下的压力分布和速度矢量图

    3 V型开口孔板的调节球阀的数值模拟及分析

    3.1 模拟参数的设定

    为了实现对标准调节球阀简化模型实现线性控制和空化控制，我们采用DN50加装有不同流量特性的V型开口孔板的调节球阀。如图6所示为3组不同角度不同流量特性的开口孔板。

图6 不同角度不同流量特性

    3.2 模拟计算结果

    3.2.1 同一雷诺数下不同开度的流量特性

    根据模拟研究我们发现，不同角度V型开口孔板调节球阀在同一雷诺数和开度下的流量特性和流量系数的变化趋势，开度越大，流量系数也会越大。我们由图7也可以发现，90°V型开口孔板的球阀比30°V型开口孔板的球阀在同一开度下，过流面积增大，从而流量系数也增大。

图7 不同开度与流量系数的关系

    3.2.2 同一雷诺数下不同开度的空化特性

    当上下游压差为阻塞流情况（F_L为无附接管件调节阀的液体压力恢复系数，F_F为液体介质的临界压力比系数，P_V为液体的饱和蒸汽压），阻塞流空化是最严重的空化现象。如图8所示，通过计算我们可以得到，30°V型开口孔板D50调节球阀在80%时，压差大于阻塞流压差时，发生初生空化和噪声。当60°V型开口孔板D50调节球阀在60%时，压差大于阻塞流压差，空化初生，随着开度增大时，空化现象进一步加剧，伴随着强烈震动和刺耳的噪声的产生。90°V型开口孔板D50调节球阀在50%时，产生初生空化现象。

图8 不同开度与空化数的关系

    3.2.3 不同V型开口的云图和矢量分布

    由图9可知，我们发现V型开口孔板的角度越小，在相同的开度下，下游部位缩流处流速越快，而压力越小，此时越容易发生空化现象和振动噪声的产生。从图9可以观测并分析出在开口角度为60°时V型孔板球阀所示云图和矢量分布比较均匀且湍流较为平缓，压差也较小，其抗空化的性能较好，且具有较好的流量特性。不会存在30°开口下发生的空化现象。

图9 不同角度V型开口和不同开度下压力和速度矢图

    4 结论

    （1）通过对FloEFD软件的数值模拟的后处理结果如压力矢量云图可以得到，无边是孔径比β=0.15，还是β=0.1，0.2，0.3等都可以精确地控制流量，并且处于一定孔径比和要求流量下，可以借助孔板来调节流量，这种思路结合调节型球阀的流通特性，能够设计出具有线性流通特性的孔板阀，而且能够达到控制空化和流量的精确控制的目的。

    （2）分析可以预判在30°孔板下存在空化现象且较为严重。但对于空化问题的控制在60°时流量线性控制，并且其空化数并未处于30°下的低空化数下，分析表明抗空化性能较佳。