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摘 要：为了指导油气管道调节阀的国产化研发工作，以较低的成本在短期内开发出高质量的产品，采用计算流体动力学（CFD）方法作为辅助手段对调节阀进行优化设计。基于某国产化调节阀的几何结构，建立不同开度下的内部流道，再通过Fluent流场分析软件进行计算，分析调节阀的流通能力、流量特性曲线、斜率偏差以及阀门内部压力和速度的分布情况，以此对调节阀的几何结构进行改进和优化。
关键字：调节阀 计算流体动力学 流通能力 流量特性 斜率偏差
调节阀作为长输管道中调节油气输送压力和流量的关键设备之一，是油气正常输送和管道企业安全生产的重要保障。目前，油气管道使用的调节阀仍以进口为主，采购周期长、费用高，大幅增加了建设和运营成本，且制约了管道建设投产进程。因此，对调节阀进行国产化研制和应用，能够打破技术垄断，提高油气管道设备的运营保障能力，同时可以大幅降低成本，提高经济效益。
计算流体力学（CFD）是研究流体流动问题的主要方法之一，具有成本低且能够模拟复杂或较理想工况等优点，已成为工程设计、产品研发过程中必不可少的辅助手段。在阀门新产品研发过程中，通过CFD方法进行数值模拟，不仅能够求出阀门流量特性参数，还可以直观地反映流道内的压力、速度分布及流体的流动情况，据此进行流道优化和设计方案改进，再通过较少的实验进行校核，即可在短期内开发出高质量的符合需求的产品。Ramesh及Song等通过CFD技术对阀门的流场进行分析，并基于分析结果对阀门的流道和结构进行优化。国内学者Xia、Yang及崔铭超等也利用计算流体力学对不同阀门进行数值模拟分析，对产生负面效应的结构位置重新优化设计，进行流动控制，提高阀门的性能。贾汝民、肖鑫等对调节阀的流量特性进行CFD数值仿真分析并深入研究改进结构，提出了改善调节阀调节性能的相关措施。总之，通过CFD方法，能够发现阀门设计中的不足，再针对具体问题进行改进，对新产品的研发具有重要意义。
基于某国产化调节阀的三维几何模型，提取内部流场建立三维流道，采用CFD方法，施加合适的边界条件，对调节阀的流通能力和流量特性进行计算，分析其流量变化特点及内部压力、速度的分布，并对结构进行优化改进，以满足调节阀国产化设计需求。
1 调节阀性能
1.1 流通能力
调节阀又称控制阀，通过执行机构产生推力力矩，调节阀芯的行程，改变介质流通面积，达到调节流量（或压力）的目的。调节阀的流通能力直接反映调节阀的容量，是设计、使用部门选用调节阀的主要参数。调节阀的流量系数KV或CV是反映调节阀流通能力的主要指标，与介质的物理属性、阀门结构尺寸等诸多因素有关。
流量系数KV是指阀门全开时，温度为20℃的水在0.1MPa压差条件下，每小时流过阀门的体积流量。计算公式为：
![]() （1）
式中：Q为体积流量，m3/h；G为密度，kg/m3；Δp为阀门前后压差，MPa。
国际上也常用流量系数CV表征调节阀的流通能力。CV定义为阀门全开时，温度为60℃的水在6.895KPa压差条件下，每分钟流过阀门的体积流量，L/min。通过单位换算，得出KV与CV的关系：
![]() （2）
根据国产化调节阀的设计要求可知，CV的理想值为5100，偏差10%，即当国产化调节阀的CV值在4590~5610范围内时均视为合格。
1.2 流量特性
调节阀的固有流量特性，是指阀门两端压降在恒定不变的条件下，介质流经阀门的相对流量与阀门的相对开度之间的变化关系，可以表示为：
![]() （3）
式中： ![]() 为相对流量； ![]() 为相对开度。
常见的调节阀流量特性有线性特性、等百分比特性以及快开特性等，本次国产化调节阀安装在输油泵后，要求具有等百分比流量特性。等百分比流量特性是指在行程的每一点上，单位行程变化所引起的相对流量变化与该点的相对流量成正比，可以表示为：
![]() （4）
式中：K为常数。
根据阀门的特性，当边界条件L=0时，Q=Qmin；L=Lmax时，Q=Qmax。对式（4）积分，令R=Qmax/Qmin，得到：
![]() （5）
或
![]() （6）
式中：R为调节阀的可调比，一般从10、25、30、50、100中取值，在此取R=50。
由式（5）和式（6）可知，调节阀的相对流量与阀门开度之间理论上具有对数关系，且调节阀相对流量的对数与调节阀的行程呈线性关系，因此调节阀的等百分比特性又称为对数特性。调节阀在实际流量调节过程中大部分运行在中间行程，因此，在实际设计过程中，一般要求调节阀在20%~80%行程范围内具有等百分比特性，而在超过80%行程以后，阀门开度继续增大时流量增大趋势会变缓。同时，等百分比特性调节阀，其斜率偏差必须满足表1规定。
注：h=L/Lmax，为阀门对应升度；lg（KVn）-lg（KVn-1）为斜率偏差，表示调节阀在相邻升度处流量系数KV的对数之差，其中n=1时相对开度为0.1，n=10时相对开度为1。
2 数值模拟
2.1 几何模型
某国产化调节阀的公称直径为600mm，压力等级为Class600，主要包括阀体、阀盖、阀芯、阀笼、平衡缸与阀座（图1）。流体从左端流入，右端流出，通过调节阀芯的行程，改变阀笼的流通面积，进行流量调节。根据调节阀的三维几何模型，采用几何建模软件，提取不同开度下的流道模型，并在不影响计算结果的情况下简化流道（图2）。
图1 某国产化调节阀几何模型
（a）整体流道 （b）50%开度时调节阀内部流道
2.2 网格划分
调节阀内部流道结构复杂，因此采用非结构化的四面体单元对计算流道进行网格划分。在100%开度下，对调节阀流道进行网格划分（图3），网格单元数为330×104。
2.3 数值求解
采用Fluent流体分析软件进行模拟计算，其中阀门进出口边界条件设置进口压力为100kPa，出口压力为0，其他与调节阀接触的部分均设置为无滑移固壁边界条件。
国产化调节阀的公称直径为600mm，设计流通能力CV为5100，流体介质为水，得出阀门入口流速v≈4.33m/s，马赫数Ma≈0.014
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发表于 2016-6-2 20:36:52
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