調(diào)節(jié)閥壓降與流量系數(shù)選擇

  之前介紹SY42AX煤礦水管路減壓閥應(yīng)用案例，現(xiàn)在介紹調(diào)節(jié)閥壓降與流量系數(shù)選擇隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，各種輸氣和輸液管道系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用。閥門(mén)在這些管道系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，用來(lái)控制流體的流動(dòng)方向、流量大小和壓差大小。調(diào)節(jié)閥是自動(dòng)化技術(shù)中*常見(jiàn)的執(zhí)行元件之一，廣泛應(yīng)用于石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)部門(mén)。調(diào)節(jié)閥又稱(chēng)控制閥，它是過(guò)程控制系統(tǒng)中用動(dòng)力操作去改變流體流量的裝置。調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和閥門(mén)部件兩部分組成，執(zhí)行機(jī)構(gòu)起推動(dòng)作用，而閥起調(diào)節(jié)流量的作用。本文通過(guò)ANSYSWorkbench軟件（Fluent分析模塊）數(shù)值模擬某一種型號(hào)調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流體的流量、壓力等物理量變化情況，分析調(diào)節(jié)閥的流量特性，并將實(shí)際流量特性與等百分比流量特性進(jìn)行對(duì)比。由于把調(diào)節(jié)閥模擬為簡(jiǎn)單形式來(lái)推導(dǎo)Kv值計(jì)算公式，只考慮到閥門(mén)前、后的壓差，而沒(méi)有考慮到閥門(mén)結(jié)構(gòu)對(duì)流動(dòng)的影響，而實(shí)際上各種閥門(mén)因結(jié)構(gòu)不同，流動(dòng)阻力不一樣，勢(shì)必會(huì)造成很大的計(jì)算偏差。另外，由于沒(méi)有考慮低雷諾數(shù)的影響，在情況下，當(dāng)雷諾數(shù)很低，例如黏性很大的流體，流體的流動(dòng)已經(jīng)成為層流狀態(tài)，此時(shí)如果仍按簡(jiǎn)單情況推導(dǎo)的Kv值計(jì)算公式計(jì)算，誤差一定很大。

    常用的調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。調(diào)節(jié)閥種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)多種多樣，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且調(diào)節(jié)閥的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)還在不斷地變化和更新。因此以往的試驗(yàn)結(jié)果歸納總結(jié)出來(lái)的公式、系數(shù)只能適合幾種常見(jiàn)類(lèi)型，用來(lái)估算閥門(mén)內(nèi)部的的流動(dòng)特性誤差較大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算的發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）對(duì)流體流動(dòng)進(jìn)行模擬仿真分析，已經(jīng)成為一種普遍應(yīng)用的工程分析技術(shù)。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展為人們很好地了解閥門(mén)內(nèi)部流體的流動(dòng)情況提供了很好的途徑。
  本文采用某型號(hào)調(diào)節(jié)閥，運(yùn)用三維建模軟件建立調(diào)節(jié)閥的實(shí)體模型，通過(guò)布爾運(yùn)算抽取調(diào)節(jié)閥及加長(zhǎng)管道部分。為了更好更準(zhǔn)確地模擬閥體內(nèi)部流動(dòng)情況，對(duì)閥出口管段進(jìn)行加長(zhǎng)，加長(zhǎng)管道的長(zhǎng)度大約為250mm（約為管道直徑的5倍）。圖2所示為調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為10%時(shí)流道的剖面實(shí)體模型調(diào)節(jié)閥10%開(kāi)度時(shí)流道剖面對(duì)容量法對(duì)液體調(diào)節(jié)閥的壓降估算,這是一個(gè)較簡(jiǎn)捷也較合理的方法.文中引述了該法的來(lái)源和使用實(shí)例.此外,并對(duì)調(diào)節(jié)閥流量特性的選擇進(jìn)行了有關(guān)的闡述.



2.2 調(diào)節(jié)閥壓降與流量系數(shù)選擇計(jì)算網(wǎng)格的劃分
    將調(diào)節(jié)閥流道的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench（網(wǎng)格劃分）軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算的前處理。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，建立流道模型的一半作為計(jì)算模型。為了提高計(jì)算精度和考慮數(shù)值計(jì)算對(duì)計(jì)算機(jī)的要求，在劃分網(wǎng)格時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。劃分后的網(wǎng)格數(shù)大約為5萬(wàn)左右。設(shè)置邊界條件為壓力入口和壓力出口，流道模型剖面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)面邊界。調(diào)節(jié)閥開(kāi)度為10%的流道網(wǎng)格劃分如圖3所示。調(diào)節(jié)閥作為過(guò)程控制系統(tǒng)中的終端部件，是常用的一種執(zhí)行器。按過(guò)程控制系統(tǒng)的要求，調(diào)節(jié)閥應(yīng)具有在低能量消耗的狀態(tài)下工作，且能充分與系統(tǒng)匹配的工作特性。但是在調(diào)節(jié)閥的使用中這兩個(gè)要求是不能同時(shí)滿(mǎn)足的，甚至是互相矛盾的。在要得到同樣的流量Qmax的情況下，選擇一只較小口徑的調(diào)節(jié)閥，雖然其他阻力不變而總的阻力必然比較大，形成大的系統(tǒng)總壓降。假若物流的推動(dòng)力是由泵產(chǎn)生，就意味著必須選功率大一些的泵和電機(jī)，這樣必然帶來(lái)大的能耗。
    當(dāng)管道系統(tǒng)中介質(zhì)的流速增加時(shí)，流體通過(guò)管道上的各種安裝部件時(shí)產(chǎn)生的流體壓降也會(huì)發(fā)生一系列的動(dòng)態(tài)變化，作為管道流體控制主要部件的調(diào)節(jié)閥所引起的流體壓降是一個(gè)很重要而又容易被忽略的因素，我們?cè)诜治雠c調(diào)節(jié)閥有關(guān)的系統(tǒng)問(wèn)題時(shí)，不僅要考慮到調(diào)節(jié)閥本身的問(wèn)題，而且也要考慮到調(diào)節(jié)閥的壓降對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡的影響。

    除了以上兩種常用的流量特性之外，[2]還有拋物線特性和快開(kāi)特性等其他流量特性的調(diào)節(jié)閥，理想的流量特性曲線如圖1所示。
    在密封結(jié)構(gòu)上，若流量特性精度要求高，則可選用高精度流量特性的金屬密封型，而軟密封型精度較低。



3調(diào)節(jié)閥壓降與流量系數(shù)選擇數(shù)值計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 邊界條件設(shè)置

    將處理后的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent分析模塊，并進(jìn)行邊界條件和流體屬性設(shè)置，選擇合適的求解方程及模型。設(shè)置流體屬性為ideal-gas，流體屬性參數(shù)保持默認(rèn)值。設(shè)置入口和出口壓力，使得壓差分別為0.4MPa、0.55MPa、0.66MPa、0.7MPa，并分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。湍流模型選用Spalart-Allmaras湍流模型（S-A方程湍流模型）。S-A方程湍流模型常用于大梯度和近壁氣體流動(dòng)的數(shù)值模擬。不同開(kāi)度和不同壓差下的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如表1所示。不同開(kāi)度和不同壓差下數(shù)值模擬的流量系數(shù)值

3.2 流量系數(shù)的結(jié)果分析
    從表1可以看出，在同一壓差條件下，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨開(kāi)度的增加而增大，開(kāi)度越大調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)也越大，當(dāng)調(diào)節(jié)閥為全開(kāi)狀態(tài)時(shí)流量系數(shù)**。在同一開(kāi)度條件下，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨著壓差的增大而增大，進(jìn)出口壓差越大調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)也越大。從圖4可以看出，不同壓差下調(diào)節(jié)閥流量特性曲線吻合較好，流量特性基本一致。在開(kāi)度較小時(shí)，由于調(diào)節(jié)閥前后的壓差作用，調(diào)節(jié)閥的流量會(huì)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，從而使得流量系數(shù)在小開(kāi)度時(shí)增長(zhǎng)較快。在開(kāi)度較大時(shí)，調(diào)節(jié)閥流量基本趨于穩(wěn)定，流量系數(shù)的增長(zhǎng)較慢緩。在開(kāi)度小于60%時(shí)，調(diào)節(jié)閥的流量特性與等百分比流量特性趨勢(shì)基本一致；在開(kāi)度較大時(shí)，與等百分比流量特性相比，調(diào)節(jié)閥流量特性有下降趨勢(shì)。不同壓差下的流量系數(shù)與等百分比流量特性曲線對(duì)比


4調(diào)節(jié)閥壓降與流量系數(shù)選擇數(shù)值模擬結(jié)果分析

    上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,對(duì)開(kāi)度為50%時(shí)調(diào)節(jié)閥在不同壓差下的流場(chǎng)進(jìn)行分析。選取不同壓差下的壓力云圖和壓差為0.4MPa、0.6MPa的速度等值線圖進(jìn)行分析。從圖5~圖7可以看出，壓力和速度變化**的地方出現(xiàn)在閥芯啟閉的部位。在閥門(mén)出口的拐角處也出現(xiàn)了明顯的壓力和速度值的變化，該處壓力和速度值的變化是由于產(chǎn)生渦漩造成的。在閥門(mén)的進(jìn)出口位置和閥腔內(nèi)流體流動(dòng)比較均勻，壓力和速度值保持恒定。流體的**流速還與閥的前后壓差成正比關(guān)系，隨調(diào)節(jié)閥前后壓差的增大而增大，并且調(diào)節(jié)閥的**速度出現(xiàn)在閥芯啟閉部位。由能量守恒可知，在閥門(mén)壓力大的地方流體的流速相對(duì)較小，流體流速**的部位流體壓力值*小。

5結(jié)論
    由上述分析結(jié)果可知，調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)隨調(diào)節(jié)閥開(kāi)度和壓差的增加而呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)。在同一開(kāi)度下，調(diào)節(jié)閥壓差的改變對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)值的變化影響不大。調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)隨開(kāi)度變化的變化量很小。

    從壓力云圖和速度等值線圖可以看出，調(diào)節(jié)閥壓力與速度增長(zhǎng)成反比的關(guān)系，壓力大的地方速度值較小。由能量守恒知，當(dāng)壓力增大時(shí)，速度會(huì)相應(yīng)地減小，速度較小的地方壓力值相應(yīng)地較大。在閥芯閥座處，由于節(jié)流作用而在附近產(chǎn)生縮流，該處流體速度增大，但靜壓減小。與本文相關(guān)的論文：自力式煤氣調(diào)壓閥組?