直通单座控制阀流场的数值模拟与结构改进.pdf

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1、第52卷第2期化　工　设　备　与　管　道Vol.52No.22015年4月PROCESSEQUIPMENT&PIPINGApr.2015·管道与管件·直通单座控制阀流场的数值模拟与结构改进郭茶秀（郑州大学化工与能源学院，郑州450001）摘要：应用SOLIDWORKS和CFD软件，对直通单座控制阀建立了3D流道模型，并对控制阀在相同压差不同开度的内部三维粘性流场进行了数值模拟，分析了流量系数与阀门开度的关系，并与文献进行了比较，验证了文中所建的模型和方法的可靠性。并且根据不同开度下控制阀内部流场的压力和速度云图、速度等值线图和矢量图等可视化图形，对流场进行了分析。对控制阀内能量损

2、失严重的部位进行流道优化改进和模拟，并与改进前的流道进行了比较，为控制阀优化设计提供了依据。关键词：控制阀；数值模拟；可视化流场；结构优化中文分类号：TQ055；TH134文献标识码：A文章编号：1009-3281（2015）02-0069-006[5]随着自动化程度的不断提高和流程工艺的发展，的3D湍流流动进行了模拟研究，Mertai等也使用控制阀已日益广泛地应用于石油、冶金、电力、化工、FLUENT软件对V型球阀内的流场情况进行了分析。轻纺、建材等工业部门中。自动控制系统中的控制文献[6-8]应用CFD数值模拟对电站控制阀进行了分阀是将接收到的控制信号（模拟、数字）转变成控制

3、析，对控制阀的设计及优化提供了一定的依据。本文阀阀芯相应的机械位移（如直线、转角等），改变流针对应用广泛的直通单座控制阀，应用三维建模软件体流过控制阀的流通面积，从而达到对被控对象参建立阀门内部流场模型，通过CFD软件生成计算网数（压力、流量、温度、液位等）的控制目的，保证格、离散求解，得到控制阀内部流场的可视化图形，过程控制系统连续、有效的正常运行。所以控制阀性如压力场、速度分布等矢量图等；然后通过模拟得到能的好坏决定了控制质量的高低。但是控制阀是工业不同阀门开度下的控制阀的流量特性；并对流道优化自动化仪表中使用问题最多的产品：一方面，尽管控改进提出建议，为直通单座控制阀的优化

4、设计提供一制阀的理想流量特性已在产品出厂时确定，但工业过定的参考依据。程被控对象特性各不相同，使控制阀工作流量特性1控制阀阀芯形状和流道结构不能与被控对象特性匹配，造成控制系统品质变差；另一方面，控制阀是节流元件、耗能设备，在能源越阀芯作为控制阀组件的可移动部件，对流体提来越紧缺的当前，控制阀的节能问题日益引起人们的供可变化的流通面积。为了获得不同的流量特性，阀重视。所以提高控制阀的性能、降低流动阻力以提高芯类型是需要单独设计的。通常采用的是通过多次试[1]能源的利用率成为控制阀发展的主要方向。为了使验以反复修改阀瓣型线，使其更接近预期的流量曲用控制阀的性能最优，首先要清楚控制阀

5、的内部流动线。实验方法得到的阀瓣型线很精确，但相当费时、情况。而CFD（Computationalfluiddynamics）软件，费工、费钱。另一种方法是采用数值模拟的方法，得可以分析并显示发生在控制阀流场中的现象，在比到控制阀的流量特性和流量系数。本文就以应用广泛较短的时间内可预测控制阀性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果，从而节省实验所需的人力、收稿日期：2014-06-10；修回日期：2014-08-11物力和时间。所以随着CFD技术的发展，在控制阀基金项目：国家自然科学基金（No.51176173)、河南省教育厅科学技术研究重点项目科技攻关（No.14A480002

6、）。[2-3]的分析和设计中应用得越来越多。如文献[4]使用作者简介：郭茶秀（1968—），女，江西清江人，博士，教授。主FLUENT软件中的k–ε湍流模型对某一开度下碟阀要从事设备与管道的节能技术的研究。·70·化　工　设　备　与　管　道第52卷第2期的直通单座控制阀为例，探讨数值模拟技术在确定控用三维建模软件Solidworks，根据流道的几何尺寸和制阀的流量特性和流量系数中的可行性。阀芯与阀座的开度关系，对不同开度（20%，40%，直通单座控制阀，典型的四种理想流量特性（直60%，80%，100%）分别进行3D建模。图5为公称线、等百分比、抛物线及快开流量特性）完全取决直径

7、为80mm在开度为60%时控制阀内流体流道的于阀芯的形状和尺寸。本文要分析的控制阀理想流剖面图。量特性为直线，控制阀公称通径为80mm，最大行程40mm，由此可确定阀芯形状为抛物线，其方程2为y=0.025x，其对应的阀芯形状如图1、2所示。DN8040图4阀体流道3D图Fig.43Dflowsectionofvalvechamber图1阀芯形状方程曲线Fig.1Configurationcurveofaspoola.3D图b.2D剖面图图5控制阀开度60%的流体流道图Fig.5Fl