节流阀阀瓣调节特性仿真研究

        1 概述
        节流阀是通过改变通道面积来调节介质流量与压力的阀门。在管道上主要作节流用，通常用于压降ΔP≥0.5倍的阀前压力。最常见的是采用截止阀改变阀瓣形状后作节流用。塞形节流瓣调节阀结构比较简单，应用较广泛，因而有必要对其内部特征曲线进行研究。本文运用Solidworks软件对调节阀进行三维建模，通过使用COSMOSFLOWWORKS软件包建立调节阀的内部流场模型，结合计算机仿真技术对节流阀阀瓣调节特性进行仿真研究，给出调节阀内部特性曲线，为工程应用提供准确、可靠的数据。
        2 常见节流阀阀瓣形状
        在很多情况下，常用截止阀换一个阀瓣即当节流阀使用，流体输入，通过节流口的节流作用后输出。节流口的流通面积与阀瓣位移量之间有一定的函数关系，这个函数关系与阀瓣节流部分的形状有关。几种常见的节流阀阀瓣形状见图1～图3。沟形阀瓣常用于深冷装置中的膨胀阀。窗形阀瓣适用于口径较大的节流阀。塞形阀瓣适用于中、小口径的节流阀，结构简单，使用较为普遍。

        3 塞形阀瓣调节特性
        节流阀阀瓣是节流阀的节流部件，可以做成一定形状的锥体或具有窗孔或缝状切口的空心柱塞，不同形状的阀瓣具有不同的特性，现以圆锥体阀瓣为例对其调节特性进行分析。圆锥体具有变化的截面，随着插入阀座的深度不同要占去一部分有效截面，因此余下的有效流通面积按照选用的特性遵循一定的规律，随着阀杆的行程而改变。

        3.1 分析数模建立与网格划分
        使用Solidworks软件对节流阀（图4）整体建模，并对其进行网格划分（图5、图6）。

        为节流阀两端口加堵盖并加载分析区域网格，网格划分采用了非结构混合网格技术，利用COS-MOSFLOWWORKS的网格划分功能对其进行网格划分，运用自适应的网格技术对节流阀内部流场特性进行仿真。

        3.2 边界条件加载
        节流阀内部流动介质选为水，遵循JB/T5292的相关标准，选择流动模型为单向流体其为不可压缩粘性流动，无气穴现象，端墙设置为绝热壁，采用不可压缩流动的雷诺方程组与k－ε紊流模型构成密封的分析环境。
        节流阀内部流场分析的边界条件主要有入口边界条件、出口边界条件和壁面边界条件等。
        紊流模型采用标准k－ε模型。选取入口边界条件为介质入口流速v=2m/s，介质为满流量流入。出口边界条件定为静态压力P=0.101MPa。壁面边界条件选取为粘性流动，采用壁面无滑移条件。
        3.3 节流阀内部流场仿真
        将节流开启高度分为20%～100%，分别5次进行流场仿真，给出不同开启高度时的内部流场压力分布（图7～图11）。

        3.4 节流阀内流场分析
        当节流阀瓣开度为20%时，出口边界条件定为静态压力P=0.101MPa，压力损失为0.057MPa，压降ΔP≥0.5倍的阀前压力，验证了该节流阀的调节范围。
        通过对20%～100%开度下节流阀内部流场的压力分布图分析，可以发现由于阀瓣的阻挡，流体在阀瓣处的流速和压头变化的比较复杂。表1给出了不同开度下的压差值，在开度不断增大时，阀瓣的节流面积不断减小，节流前后的压差也在缩小。

        通过对节流阀内部流场的分析，绘制出阀瓣的内部特性曲线（图12），得出不同开度下的阀瓣压力损失情况。

        4 结语
        运用COSMOSFLOWWORKS软件包，对塞形阀瓣节流阀内部流场的仿真，得到了较准确的阀瓣内部特性曲线。通过对阀瓣内部特性的仿真可以验证产品的性能，并进行后期的优化设计，同时也缩短了产品的研发周期，提高了设计效率。本文的分析仅是介于常温及常压的阀瓣调节特性的动态仿真，给出了节流阀阀瓣内部特性的一般求解方法，对于高温、高压参数下的动态仿真还需要深入的研究。
        参考文献
        〔1〕沈阳阀门研究所．阀门设计〔Z〕．沈阳：沈阳阀门研究所，1976．
        〔2〕杨源泉．阀门设计手册〔M〕．北京：机械工业出版社，1992．