摘 要：运用CFD方法对低噪声流量调节阀流通能力进行模拟计算，得到调节阀流量系数CV及固有流量特性曲线，与实际试验数据对比分析，为低噪声流量调节阀设计与流量性能研究提供了参考。

关键字：流量调节阀 低噪声 模拟计算 流量特性曲线 试验

1 概述

铜合金低噪声流量调节阀（以下简称调节阀）应用于海水管系，在过程控制系统中由动力操控调节海水管系的流量。执行机构能按照控制系统发出的信号，改变阀门内部节流件的位置，实现流量调节的功能。为减小调节阀内部流体的阻力和噪声，在设计时对阀门内部流道及阀芯结构进行了优化设计，以达到减小流阻和降低噪声的目的。本文从调节阀的流量调节特性和流通能力研究出发，引入CFD仿真试验，对调节阀内部流场进行了数值模拟，计算得到调节阀不同开度下流量系数及流量特性曲线。通过与试验数据对比和分析，为调节阀的性能研究、样机研制和试验奠定基础。

2 结构特点

调节阀（图1）主要由阀体、V形球体、阀座、阀座压盖、密封圈、阀杆、填料组和电动执行器等部件组成。球体设计成带有特殊形状的V形开口，采用优化理论试算法进行V形开口形线设计，使阀门具有等百分比流量调节特性。该调节阀的可调比大，流量调节范围广，当阀门关闭时，V形缺口与阀座之间产生楔形剪切作用，即自洁功能，可以防止阀芯卡塞。调节阀具有易操作、质量轻、结构尺寸小、低噪声等特点。

图1 低噪声流量调节阀

3 流道模型建立及网格化分

利用Proe/E软件对调节阀全开时的阀腔内部流道进行建模（图2）。在ANSYS软件的fluent模块中进行流场计算。计算域以阀体为中心并向管道上、下游延伸，阀前延伸取1倍管道直径，阀后延伸取2倍管道直径，以保证进出口面流动稳定均匀。流道模型网格由ICEMCFD软件划分生成。阀芯处流体通道因为结构不规则，采用四面体/混合网格进行划分。为了计算结果更加精确，对流动变化剧烈区域（阀腔内部流道拐弯及内部阀芯流道）进行了加密处理（图3），网格数约为500万。

图2 阀内三维流道模型

图3 流道模型网络

4 数值模拟计算及分析

4.1 边界条件及流体参数

（1）流体状态

介质属于不可压缩的牛顿流体，流动状态为湍流，采用标准k－ε湍流模型。流体密度1025kg/m³，动力粘度为0.001054kg/ms。

（2）入口和出口条件

根据实际工况，将调节阀入口设为速度入口，流体速度为3.0m/s，方向沿进口平面法线方向。水力直径为流道进口直径。入口湍流强度为5%（充分发展的湍流）。出口设为自由出流边界条件。

（3）参考压强与壁面条件

参考压强采用fluent默认设置，即大气压强（101325Pa）。流体与壁面接触的边界为wall壁面条件。

4.2 计算分析

通过模拟计算得到调节阀全开时阀内流体的压力和速度分布情况（图4，图5）。

图4 内部流场压力分布云图（Pa）

图5 内部流场速度分布云图（m/s）

由阀内液体压力分布云图可以看出，调节阀进、出口压力分布较均匀，由于V形开口的节流作用，阀内腔流道压力分布比较复杂。流体从外侧入口进入，直至内侧出口，压力呈现出明显的下降趋势，整个过程压力变化剧烈。

由阀内流场速度分布云图可以看出，中间阀芯及出口端因V形球体节流效应及流道结构影响，速度分布不均匀，V形开口呈现出明显节流效应，节流处最大流速达到5.93m/s。V形球体阀芯内流道速度分布复杂，并随流道延伸呈现明显的下降趋势，且在阀芯流道的边角区域出现明显低速区。

4.3 流量系数模拟计算

根据GB/T17213.9－2005中对CV的规定，对调节阀在全开时的流通能力进行模拟仿真试验。试验介质为常温水，密度为998.2kg/m³，阀门进出口压差为100kPa，模拟试验得到了调节阀全开时流量，通过计算得到阀的额定CV值。

    （1）

式中  Q———体积流量，m³/h

G———试验介质的比重（介质为水时G=1）

△P———阀两端测出的静压损失，kPa

通过模拟计算得到阀门进、出口压差为57631Pa条件下，调节阀全开时的流量为251.75m³/h，带入式（1），得调节阀的额定CV为388。同理，根据标准规定，模拟计算出不同开度下流量调节阀的流量及CV值（表1）。

表1 调节阀模拟计算及试验Cv值对比

5 试验及对比分析

按照GB/T17213.9－2005中的要求，对调节阀进行流量特性试验。流量特性测试系统（图6）主要由上游调节阀、测温装置、电磁流量计、上下游取压口、下游调节阀等组成。通过试验得到调节阀在不同开度下的流量系数（表1）。

1.涡轮流量计2.上游调节阀3.测温装置

4.被测样品5.试验段6.下游调节阀7.取压口

图6 流量系数测试系统

调节阀设计时的可调比R=50，根据等百分比流量特性，建立调节阀理想的等百分比流量数学表达式

    （2）

式中  Q———测点流量，m³/h

Qmax———最大流量，m³/h

L———测点的开度位移，mm

L———最大位移，mm

R———可调比

根据式（2）计算得到调节阀可调比R=50时不同开度下的相对流量系数，将其与模拟计算和试验的数据进行对比（表2，图7）。在小开度下，相对流量系数大于模拟计算和试验时的值，但模拟计算和试验值的一致性较好。在大开度下，设计值和试验之间的相对流量系数值相一致，大于模拟计算的相对流量系数。通过分析可知，试验、模拟计算和设计值三者之间体现出了较高的一致性，表明了流量调节阀设计的可靠性及数值模拟计算的有效性。通过引入CFD仿真试验，准确的仿真模拟出调节阀的流通能力及流量调节特性，缩短了开发周期，提高了研发效率。

表2 调节阀设计、试验与模拟相对流量系数

图7 模拟、理论及试验数据对比

6 结语

（1）运用数值模拟的方法对调节阀流场进行的数值模拟计算和分析研究结果表明，调节阀进、出口压力分布相对均匀，V形开口流道处呈现出明显的节流趋势，压力变化较大，中间流道及出口端因受V形开口节流效应及流道结构影响速度分布不均匀。

（2）对调节阀进行流量特性试验结果表明，调节阀呈现出较好的等百分比流量调节特性，试验结果与仿真模拟、设计值相一致。调节阀的额定流量系数为392，与模拟计算值的误差为1.02%。

（3）通过引入数值模拟仿真试验，较准确的计算出流量调节阀的流通能力及流量特性，缩短了产品开发周期，提高了研发效率，为调节阀的设计与研究提供了参考。