調節(jié)閥壓降與流量系數選擇

  之前介紹SY42AX煤礦水管路減壓閥應用案例，現在介紹調節(jié)閥壓降與流量系數選擇隨著工業(yè)的發(fā)展和科技的進步，各種輸氣和輸液管道系統(tǒng)被廣泛應用。閥門在這些管道系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，用來控制流體的流動方向、流量大小和壓差大小。調節(jié)閥是自動化技術中*常見的執(zhí)行元件之一，廣泛應用于石油、天然氣、化工、電力、冶金等工業(yè)部門。調節(jié)閥又稱控制閥，它是過程控制系統(tǒng)中用動力操作去改變流體流量的裝置。調節(jié)閥由執(zhí)行機構和閥門部件兩部分組成，執(zhí)行機構起推動作用，而閥起調節(jié)流量的作用。本文通過ANSYSWorkbench軟件（Fluent分析模塊）數值模擬某一種型號調節(jié)閥內的流體的流量、壓力等物理量變化情況，分析調節(jié)閥的流量特性，并將實際流量特性與等百分比流量特性進行對比。由于把調節(jié)閥模擬為簡單形式來推導Kv值計算公式，只考慮到閥門前、后的壓差，而沒有考慮到閥門結構對流動的影響，而實際上各種閥門因結構不同，流動阻力不一樣，勢必會造成很大的計算偏差。另外，由于沒有考慮低雷諾數的影響，在情況下，當雷諾數很低，例如黏性很大的流體，流體的流動已經成為層流狀態(tài)，此時如果仍按簡單情況推導的Kv值計算公式計算，誤差一定很大。

    常用的調節(jié)閥結構如圖1所示。調節(jié)閥種類繁多，結構多種多樣，內部結構復雜，而且調節(jié)閥的類型和結構還在不斷地變化和更新。因此以往的試驗結果歸納總結出來的公式、系數只能適合幾種常見類型，用來估算閥門內部的的流動特性誤差較大。隨著計算機技術和數值計算的發(fā)展，運用計算流體動力學（CFD）對流體流動進行模擬仿真分析，已經成為一種普遍應用的工程分析技術。計算流體動力學的發(fā)展為人們很好地了解閥門內部流體的流動情況提供了很好的途徑。
  本文采用某型號調節(jié)閥，運用三維建模軟件建立調節(jié)閥的實體模型，通過布爾運算抽取調節(jié)閥及加長管道部分。為了更好更準確地模擬閥體內部流動情況，對閥出口管段進行加長，加長管道的長度大約為250mm（約為管道直徑的5倍）。圖2所示為調節(jié)閥開度為10%時流道的剖面實體模型調節(jié)閥10%開度時流道剖面對容量法對液體調節(jié)閥的壓降估算,這是一個較簡捷也較合理的方法.文中引述了該法的來源和使用實例.此外,并對調節(jié)閥流量特性的選擇進行了有關的闡述.



2.2 調節(jié)閥壓降與流量系數選擇計算網格的劃分
    將調節(jié)閥流道的三維實體模型導入ANSYSWorkbench（網格劃分）軟件中進行數值模擬計算的前處理。為了節(jié)省計算時間，建立流道模型的一半作為計算模型。為了提高計算精度和考慮數值計算對計算機的要求，在劃分網格時采用非結構化的四面體網格。劃分后的網格數大約為5萬左右。設置邊界條件為壓力入口和壓力出口，流道模型剖面設置為對稱面邊界。調節(jié)閥開度為10%的流道網格劃分如圖3所示。調節(jié)閥作為過程控制系統(tǒng)中的終端部件，是常用的一種執(zhí)行器。按過程控制系統(tǒng)的要求，調節(jié)閥應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。但是在調節(jié)閥的使用中這兩個要求是不能同時滿足的，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。假若物流的推動力是由泵產生，就意味著必須選功率大一些的泵和電機，這樣必然帶來大的能耗。
    當管道系統(tǒng)中介質的流速增加時，流體通過管道上的各種安裝部件時產生的流體壓降也會發(fā)生一系列的動態(tài)變化，作為管道流體控制主要部件的調節(jié)閥所引起的流體壓降是一個很重要而又容易被忽略的因素，我們在分析與調節(jié)閥有關的系統(tǒng)問題時，不僅要考慮到調節(jié)閥本身的問題，而且也要考慮到調節(jié)閥的壓降對系統(tǒng)動態(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特性等其他流量特性的調節(jié)閥，理想的流量特性曲線如圖1所示。
    在密封結構上，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調節(jié)閥壓降與流量系數選擇數值計算與結果分析

3.1 邊界條件設置

    將處理后的網格文件導入Fluent分析模塊，并進行邊界條件和流體屬性設置，選擇合適的求解方程及模型。設置流體屬性為ideal-gas，流體屬性參數保持默認值。設置入口和出口壓力，使得壓差分別為0.4MPa、0.55MPa、0.66MPa、0.7MPa，并分別進行數值模擬計算。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的數值模擬。不同開度和不同壓差下的數值模擬計算結果如表1所示。不同開度和不同壓差下數值模擬的流量系數值

3.2 流量系數的結果分析
    從表1可以看出，在同一壓差條件下，調節(jié)閥的流量系數隨開度的增加而增大，開度越大調節(jié)閥流量系數也越大，當調節(jié)閥為全開狀態(tài)時流量系數**。在同一開度條件下，調節(jié)閥的流量系數隨著壓差的增大而增大，進出口壓差越大調節(jié)閥的流量系數也越大。從圖4可以看出，不同壓差下調節(jié)閥流量特性曲線吻合較好，流量特性基本一致。在開度較小時，由于調節(jié)閥前后的壓差作用，調節(jié)閥的流量會呈現快速增長的趨勢，從而使得流量系數在小開度時增長較快。在開度較大時，調節(jié)閥流量基本趨于穩(wěn)定，流量系數的增長較慢緩。在開度小于60%時，調節(jié)閥的流量特性與等百分比流量特性趨勢基本一致；在開度較大時，與等百分比流量特性相比，調節(jié)閥流量特性有下降趨勢。不同壓差下的流量系數與等百分比流量特性曲線對比


4調節(jié)閥壓降與流量系數選擇數值模擬結果分析

    上海申弘閥門有限公司主營閥門有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,對開度為50%時調節(jié)閥在不同壓差下的流場進行分析。選取不同壓差下的壓力云圖和壓差為0.4MPa、0.6MPa的速度等值線圖進行分析。從圖5~圖7可以看出，壓力和速度變化**的地方出現在閥芯啟閉的部位。在閥門出口的拐角處也出現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生渦漩造成的。在閥門的進出口位置和閥腔內流體流動比較均勻，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系，隨調節(jié)閥前后壓差的增大而增大，并且調節(jié)閥的**速度出現在閥芯啟閉部位。由能量守恒可知，在閥門壓力大的地方流體的流速相對較小，流體流速**的部位流體壓力值*小。

5結論
    由上述分析結果可知，調節(jié)閥流量系數隨調節(jié)閥開度和壓差的增加而呈現出增長的趨勢。在同一開度下，調節(jié)閥壓差的改變對調節(jié)閥流量系數值的變化影響不大。調節(jié)閥流量系數隨開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，調節(jié)閥壓力與速度增長成反比的關系，壓力大的地方速度值較小。由能量守恒知，當壓力增大時，速度會相應地減小，速度較小的地方壓力值相應地較大。在閥芯閥座處，由于節(jié)流作用而在附近產生縮流，該處流體速度增大，但靜壓減小。與本文相關的論文：自力式煤氣調壓閥組?