节流阀流通特性分析
张帅
（机化阀门（沈阳）有限公司，辽宁沈阳１１００２７）
摘要介绍了利用Ｆｌｕｅｎｔ动网格功能研究节流阀流量特性的方法，分析了节流阀阀瓣开启高度随时间变化对阀门流量和压差等参数的影响。
１概述
节流阀是通过调节节流面积，将进口压力或流量减至需要的出口压力或流量，并依靠介质本身的能量使出口参数稳定在规定状态的装置。从流体力学分析，节流阀是通过改变节流面积，使流速及流体的动能变化，造成不同的压力损失，从而达到改变内部流体特性的目的。阀门实际设计过程中，其结构根据工况条件变化。传统设计时，依靠经验公式验证阀门流量和压差等参数，误差较大。若在设计初期对节流阀流量和压差用数值模拟的方法进行分析，会在降低生产成本，缩短研究周期的条件下使所设计的产品结构得到更全面验证。
２流量特性数值分析原理流体计算基于欧拉坐标系。在欧拉坐标系中，计算空间与网格节点保持固定，因此在利用ＣＦＤ计算流体问题时，要考虑区域中部件的变形或运动，需要通过动网格的手段解决。在运动方式描述中由于速度是可以求解的量，因此在定义部件运动时常用速度进行表达。根据伯努利方程，流体在等高流动时，流速大，压力就小。
式中Ｐ———流体某点压强，Ｐａρ———流体密度，ｋｇ／ｍ３
ｇ———重力加速度，ｍ／ｓ２ｈ———某点高度，ｍｖ———流体某点流速，ｍ／ｓ由于伯努利方程是由机械能量守恒推导的，所以适用于粘度可以忽略不可压缩的理想流体。
３流阻系数数值模拟路线
３.１模型前处理
节流阀设计温度１００℃，设计压力１０ＭＰａ，公称通径ＤＮ３２，材料为Ｆ３２１，阀瓣的开启速度为１４２５ｍｍ／ｓ。数值模拟采用Ｆｌｕｅｎｔ流体分析软件，以实际工况为准，根据流体分布的理论进行前处理。为解算方便，去除对计算结果影响较小的零件（图１）。
３.２条件设定
考虑各物体几何形状和变形梯度的准确描述，采用二维全四边形进行网格划分，控制单元最大尺寸为１ｍｍ，划分后网格倾斜度为０９５（图２）。设定湍流模型的介质为水，进口流速为１ｍ／ｓ，出口压力为１００ｋＰａ，命名阀瓣为ｍｏｖｅ并写入一个ｐｒｏｆｉｌｅ文件，用于限制阀瓣开启速度。
（（ｍｏｖｅｔｒａｎｓｉｅｎｔ１００）（ｔｉｍｅ０１２３４５６７８９１０）（ｖ＿ｙ０ －１４２５ －１４２５ －１４２５ －１４２５ －１４２５ －１４２５ －１４２５ －１４２５ －１４２５ －１４２５））
程序定义从０～１０ｓ的时间点，每个时间点有相应关闭速度。因阀瓣是匀速关闭，所以每个时间点的速度都为１４２５ｍｍ／ｓ。经过网格重构，当部件产生运动后，程序检测部件运动对于初始网格的影响，并对运动后的网格进行重新划分，以确保网格质量能够满足要求。动网格的初始运行显示，阀瓣关闭过程中，网格运行正常，无负网格的出现，可进行下一步计算。设置其他表面为壁面，初始化后进行解算。
４计算分析
经解算得出不同时间节点下的流体速度分布，在时间为０ｓ、５ｓ和９９ｓ时（图３），流体进出口存在一定压力损失，管径和管向突变处压力变化较明显，阀座周围出现回流，形成漩涡，造成该区域流速较低，介质压力和流速不稳定，此处是介质受到阻碍最严重的区域。由于水的粘度作用边界层流体的流速很低，在阀座出口至阀门出口端区域没有流体滞留，介质流动很通畅，压力逐渐降低，流速也趋于平稳。
（ａ）０ｓ（ｂ）５ｓ（ｃ）９９ｓ
图３流体速度分布
５结语
阀门内部流场特性不便于观察，利用ｆｌｕｅｎｔ动网格技术模拟流场形状由于边界运动而随时间改变的状态，可基本掌握节流阀在开启或关闭随时间变化过程中流量特性，为阀门新产品缩短研制周期，降低生产成本，优化结构，提供了理论支撑。
(来源：《阀门》)
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