调节阀在工业领域中有着广泛的应用，是工业系统中不可缺少的主要设备之一。锥面调节阀门在控制流量中精度高，在定量流体输送环节应用前景广泛。锥面阀芯的几何尺寸是决定阀门控制调节能力的非常重要的设计参数，传统的研究手段是采用试验手段，对阀门的外部特性，如进出口压力差、流量系数等，进行测量和分析，而对流体在阀门内部流动情况则很难知晓。近年来，随着计算流体动力学（CFD）技术的迅速发展，为了解阀门内部流场分布，探寻各流动参数的变化规律提供了便捷的方法。

本文通过详细分析锥面结构特征，给出影响阀芯锥面的3个几何参数关系，利用FLUENT流体分析软件，详细分析了锥面结构变化对阀门内部流场的影响。研究结果可为同类阀门的设计和试验提供借鉴。

1 阀芯几何特征分析

1.1 控制阀的流量特性

流量控制阀门最重要的标准之一是它的流量特性。控制阀的流量特性取决于它固有的流量特性。固有的流量特性表示为在恒温和阀门两边压力降不变的情况下，通过阀门的流量与控制元件位置（推杆行程）的函数关系。通常的流量特性有线性的、改进线性的、等百分比的、以及平方根（快速开启）的。控制阀的流量特性见图1所示。

图1 控制阀的流量特性

任何流量特性曲线都通过恰当的阀门元件的形状或控制阀门的打开及关闭运动来得到。为了得到所希望的固有流量特性，在设计阀门元件时，必须考虑入口、出口以及壳体压力损失对阀门的流量的影响。在理想情况下，控制阀全部压力降应发生在控制元件两边。然而，流道的几何形状突然变化引起的压力损失是不能完全消除的。因此，为了使整个阀门具有所要求的流量特性，常常需要设计人员对理论上求得的阀门元件流通面积与行程的关系加以改进以便补偿这种损失。

1.2 锥面阀芯几何特征

对锥面阀门流道结构分析可知，在阀门的进出口几何尺寸、开度确定的情况下，阀芯锥角是最主要的影响因素。因此，选择正确的阀芯锥角几何尺寸，直接影响阀门的流通性能。锥面阀芯几何尺寸定义见图2。阀芯锥角几何尺寸由2个锥面的半角α1、α2和锥台高度h1确定。当α1=α2时，阀芯处于单锥面，调节规律比较单一；当α1≠α2时，阀芯处于双锥面，调节规律复杂；合理改变3个参数，可以得到最佳的流量调节规律。

图2 锥面阀芯几何尺寸定义

2 阀芯几何变化对流量特性的影响

利用上述分析结论，结合某型双锥面阀门，进行理论计算结果与实验数据进行对比。模型1是单锥面阀芯，即α1=α2；模型2～模型4调整了3个参数，阀芯都处于双锥面状态。

采用三维建模软件Pro/ENGINEER建立某型双锥面调节阀流道模型。在网格划分时，为保证网格的质量，在结构变化不规则处划分较密网格，如本模型阀芯锥面头部附近。模型选择四面体非结构网格，对需要加密的地方和流动剧烈的地方进行网格加密，依据计算机的性能，最终确定体网格总数在30万左右。

分别对4种锥芯尺寸的模型进行数值计算，并把计算结果与实验数值进行比较（数值计算结果见表1）。模型1的流通规律基本与实验结果一致，但是相对误差比较大，最大值为0.168，原因应是单锥面与双锥面阀芯引起的；模型2和模型4的流通规律也基本与实验结果一致，但是模型2在开度较大时产生了很大误差，最大值为0.237，模型4在阀芯处于中间位置时产生了很大误差，并且流量控制不稳定，最大误差为0.255，主要原因是参数匹配不合理；模型3的流通规律与实验结果有很好的一致性，并且误差比较小，最大误差仅为0.046。模型数值计算流量特性如图3所示。

表1 优化模型在不同开度下的相对流量

图3 数值计算曲线

3 结论

运用理论分析、数值仿真相结合的方法，对锥面阀芯几何结构与流道流动特性进行系统、深入的分析。分析的计算结果表明：通过数值模拟，调整锥面阀芯的几何尺寸，给出最佳阀芯几何尺寸方案，与实验数据进行比较，基本满足实际情况要求。文中所提出的阀芯几何尺寸关系和采用CFD方法将大大提高锥面调节阀设计的技术含量与产品质量，可缩短调节阀的设计和加工周期，节省大量成本。