电动调节阀内部流场基于Fluent的数值模拟研究
☆研究的电动调节阀主要用于空调、制冷、采暖等楼宇自动控制系统中冷/热水，蒸汽的流量调节。♂它是一个不可缺少的控制元件，♡同时也是产生能耗的元件。因此，研究调节阀的水力特性，↓对于降低能量损失以及指导调节阀设计有十分重要的意义。♤由于调节阀内部流动极其复杂，对于调↓节阀水利特性的研究主要还是以试验为主，成本高，耗时长，‥不利于新产品的开发。随着计算机与⊿CFD的发展，☺CFD数值模拟的优越性越来越明显，☏它不仅能详细地显示调节阀的内部流场，而且⊿相对于实验研究，它有其独特的优点：研究成本低，周期短；能在计算机上直观地显示结果，便☼于优化设计；同时，它具有很好的重复性，条件容易控制。
利用Fluent软件对调节阀内部的三维粘性流场进行了数值模拟，并对可视化结果以及流量特性进行了分析。
一、几何建模
调节阀的实体模型，如图1所示。
图1 实体模型
¤需要建立内部流体区域的模型，使用CATIA软件建模，考虑到对称性结构以及计算速度，取阀门内部流道区域的一半作为计算区域。♥为了使流体充分流动，前后管道分别加长2倍管径和5倍管径。
二、流场分析理论基础
¤ 假设调节阀内部流动为三维不可压缩粘性流动，…内部流体为紊流流动。用标准κ-ε紊流模型来☺封闭湍流时均运动控制方程。
☺ （1）不可压缩流体的连续性方程：
☺（2）不可压缩流体紊流运动方程：
☺（3）标准κ-ε方程：
☺（4）紊流动能κ的方程：
☺（5）耗散率ε的方程：
▶ 式中：
ρ—流体密度；
ui—流体沿方向的速度分量；
p—流体微元体上的压力；
μ—动力粘度；
υt—湍动粘度；
κ—湍流动能；
ε—耗散率；
υ—运动粘度；
• 模型常数：Cε1=1.44，Cε2=1.92，σκ=1.0，σε=1.3。
三、网格划分与边界条件
☆ 利用Fluent前处理软件Gambit进行网格划分，☞在阀芯附近，速度与压强的梯度比较大，因此在此处进行网格细化，采用的是非结构化的四面体网格；☞而在进出口采用六面体网格。总网格数在（15～20）万之间，如图2所示。以进、出口压力作为边界条件。
图2 计算网格
四、定常计算
▶ 采用分离求解器（Segregated）进行求解，流体介质为水，密度为1000kg/m3，动力粘度系数为υ=0.001003Pa•s。设定边界条件为进口压力和出口压力，湍流模型采用标准κ-ε方程，模型参数设为湍流强度I和水力直径D。☞近壁区采用标准壁面函数法，☞固壁面采用无滑移边界条件。压力和速度的耦合采用SIMPLE算法，☞离散格式全部采用二阶迎风格式，求解过程中松弛因子为：压力项0.2，速度项0.5，紊流动能和耗散率均为0.5，监视进、出口的质量流量。
五、计算结果及分析
◆对DN40调节阀全开时进行模拟分析，迭代15000次达到收敛，模拟结果，如图3～图10所示。从残差图以及进口流量监测图，☻如图3、图4所示。可以看出，收敛效果很好，说明所建模型以及计算方法是合理的。
1、内部流场分析
▼（1）从速度图和压力图来看，如图5、图6所示。管道进、出口速度与压力分布比较均匀，表明所取得计算区域可以让水流充分流动，水流至阀芯底部时滞至，☼此处压力升到最高。当水流至阀芯与阀座之间时，流通面积迅速减小，此处的压力也迅速降低，而速度达到最大，流过阀芯时，压力上升而速度下降。
图5 流场速度分布图
图6 流场压力分布图
▼（2）从压力等值线来看，如图7所示。在阀芯附近分布较密，♧压力降主要集中在此。
图7 压力等值线分布
▼（3）从速度矢量图可知，如图8所示。经阀芯流出的主流集中在管的顶部，流速不均匀。
图8 速度矢量图
▼（4）从紊流动能等值线图可知（图略）。紊流动能在阀芯附近分布最密，紊流动能最大，能量损失主要集中在此。
▼ （5）从流线图可以清楚地看到（图略）。在上阀腔的♧右下侧以及下阀腔左上侧有较大范围的漩涡，并在上阀腔右下侧形成了剧烈紊动的分离回流区，引起能量损失。
◆ 2、流量特性分析
¤ 调节阀的流量系数定义为：温度为（278～323）K（5～40℃）的水在105Pa压强下，1h内流过调节阀的立方米数，用m3/h表示。
即▶
■式中：
KV—调节阀的流量系数；
Q—调节阀流量，m3/h；
△P—调节阀前后压差，KPa。
▲ 对DN40-DN80调节阀数值模拟的结果，如表1所示。由表1可知：KV值误差并不大，表明模拟结果是可靠的。
表1 DN40-DN80调节阀数值模拟
六、结论
◇ 调节阀流量系数的模拟值和理论值吻合较好，表明CFD可以应用于调节阀的流场分析。并且▷得到了调节阀内部详细的流动情况：速度场分布、压力场分布、流线走向、漩涡及二次流等，为▷调节阀流道结构的优化提供了理论依据。同时，对于其它类型阀门流场的模拟有较大的参考价▷值。
