套筒式调节阀结构改进及流场分析_喻临风.pdf

流 体 机 械2023 年 2 月84 第 51 卷第 2 期 收稿日期：2021-10-27 修稿日期：2022-10-23基金项目：江苏省研究生实践创新计划（自然科学类）项目（SJCX21_0524）doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2023.02.012套筒式调节阀结构改进及流场分析喻临风，何世权，郎晨旭，王佳琪（南京工业大学 机械与动力工程学院，南京 211816）摘 要：针对套筒式调节阀因工作时阀内流体压差过高、流速快，易产生阻塞流，导致在一定开度下，阀门流通能力降低，阀内噪声增大，致使套筒、阀芯、阀座损坏等问题，以 DN80 套筒式调节阀为研究对象，对套筒节流孔的形状进行优化，设计出2 种不同形状的节流孔样式，对比分析 3 种不同形状的节流孔，采用计算流体动力学（CFD）方法对其内部流场进行数值模拟，分析调节阀流道内的速度分布云图、压力分布云图和流量特性曲线，并通过试验对比其流阻系数。结果表明，优化后的内缩式套筒结构在全开时，相较于初始结构降压能力提升约 13.65%、最高降速约 35%、流通能力提升约 22.73%，并解决了在阀门开度为 100%时阀体下腔处的回流现象。内缩式套筒结构具有更好的节流减压能力，能够安全可靠地应用于 2 种管线对接的工作状况，同时延长了阀门的使用寿命。关键词：套筒式调节阀；计算流体力学；流量特性；优化中图分类号：TH138 文献标志码：A Structural improvement and flow field analysis of sleeve regulating valveYULinfeng，HEShiquan，LANGChenxu，WANGJiaqi（SchoolofMechanicalandPowerEngineering，NanjingUniversityofTechnology，Nanjing 211816，China）Abstract：Fortheproblemsofthesleeve，valvecoreandvalveseatfailureduetoreducedvalvecirculationcapacityandincreasednoiseinthevalveduetotoohighfluiddifferentialpressureandfastflowrateintheworkingsleevetyperegulatingvalve，whichtendstoproduceblockingflowunderacertainopening，theDN80sleeveregulatingvalvewastakenastheresearchobjecttooptimizetheshapeofthesleeveorifice，twotypesoforificewithdifferentshapesweredesigned，andthreedifferentshapesoforificewerecomparedandanalyzed，computationalfluiddynamics（CFD）methodwasusedtoconductthree-dimensionalnumericalsimulationofitsinternalflowfield.Thevelocitydistributioncloud，pressuredistributioncloudandflowcharacteristiccurveintheflowpassageoftheregulatingvalvewereanalyzed，andtheirflowresistancecoefficientswerecomparedthroughtests.Theresultsshowthattheoptimizedretractablesleevestructureincreasesthepressurereductioncapacitybyabout13.65%，themaximumspeedreductionbyabout35%，andtheflowcapacitybyabout22.73%comparedwiththeinitialstructurewhenitisfullyopen，andsolvesthebackflowphenomenonatthelowercavityofthevalvebodywhenthevalveopeningis100%.Theoptimizedsleevestructurehasbetterthrottlinganddecompressioncapacitythantheoriginalstructure，andcanbeusedinbuttjointingoftwopipelinesmoresafelyandreliably，andprolongtheservicelifeofthevalve.Key words：sleevetyperegulatingvalve；computationalfluidmechanics；flowcharacteristics；optimization0 引言在现代工业生产中，调节阀作为重要的调节设备，广泛应用于管路系统中1-2。它是流体输送过程和工艺环路中的重要控制元件，是确保各种工艺设备正常工作的关键。随着工业的发展，对实际工况中各种场合的调节阀都提出了高温、高压、高压差等要求3。其中套筒调节阀的互换性和通用性较强，常用于动态稳定性好、高压降、低噪声、空化气蚀小、低泄漏量及调整方便的工况场合4。目前，我国套筒式调节阀和国外相比，问题在于阀内流体压差过高，对阀腔冲蚀大，易造成阀门损坏，使用寿命短等问题。针对以上问题，国内外85学者通常采用双层式套筒或迷宫式套筒结构，但由于特殊套筒的制作工艺复杂，损坏不易修缮等缺点，仍需探索一种合适的解决方案。本文针对 DN80 的套筒式调节阀，通过改变套筒的节流孔形状，分析其速度云图和压力云图，对比流量特性曲线；通过试验对比分析流阻系数，改善其调节能力，延长使用寿命5。1 计算模型1.1 套筒式调节阀结构采用Soildworks软件建立调节阀的三维实体模型，套筒式调节阀主要有阀杆、阀盖、套筒、阀芯、阀体、压盖、阀座等主要部件组成6-7。套筒式调节阀的套筒和阀芯通常采用间隙配合，套筒上有多个节流孔，根据节流孔形状及大小的不同，阀门的流量系数也随之不同8。套筒式调节阀比普通的调节阀噪声小、结构简单、维修方便。使用 Spaceclaim 软件对套筒式调节阀模型进行简化，有利于后续进行数值模拟时收敛9-10，简化后的套筒式调节阀结构如图 1 所示。图 1 套筒式调节阀结构示意Fig.1 Structuraldiagramofsleeveregulatingvalve本文以 DN80 的套筒式调节阀为研究对象，初始套筒的节流孔形状为半径3mm的圆柱通孔，为了获得更好的流通特性，提出另外 2 种不同节流孔形状的套筒，具体形状如图 2 所示。（a）原始孔型 （b）内扩锥形孔 （c）内缩锥形孔图 2 3 种不同节流孔形状的套筒Fig.2 Sleeveswiththreedifferentorificeshapes1.2 流道抽取在进行流道抽取前，在调节阀模型前后分别添加 5 倍和 10 倍流道直径长度的管道，在Soildworks 中完成各部件的组装11。在 ANSYSWorkbench中导入三维模型，用Spaceclaim软件中Interference选项检测模型有无干涉现象，随后对模型抽取流道，把获得的流道模型导入 ICEM中进行网格划分，图 3 示出 50%开度下所抽取的流道模型。图 3 50%开度下的流道模型Fig.3 Flowchannelmodelat50%opening1.3 网格划分在进行计算之前首先要对模型进行前处理，模型前处理主要包括网格划分与网格无关性验证。网格的无关性验证既能保证后续计算分析结果的有效性，又能确定网格的具体数量12。随后确定边界层网格尺寸及加密部分网格的尺寸，根据所确定的各项参数进行最终的网格划分13。经网格无关性验证后，保证每个开度模型所划分的网格数不小于 100 万，所有的网格质量系数均大于0.5。图 4 示出中开度（50%）下的网格模型。图 4 50%开度下的网格模型Fig.4 Gridmodelat50%opening喻临风，等：套筒式调节阀结构改进及流场分析86FLUID MACHINERYVol.51，No.2，20232 边界条件的设置本文对 3 种不同节流孔形状的套筒式调节阀在不同开度的情况下进行数值模拟，流量特性仿真的模拟边界条件为：入口压力为 2MPa，出口压力为1.5MPa。由于流体在流经调节阀时，可能会发生湍流，所以湍流模型设置为-模型14-15。2.1 压力场分析通过后处理软件CFD-Post中的云图工具，截取模型Y-Z面的压力云图。以阀芯小开度（20%）、中开度（50%）和全开（100%）为例，做压力对比分析，原模型的压力云图结果如图 5 所示。（a）20%开度（b）50%开度（c）100%开度图 5 压力云图Fig.5 Pressurenephogram由图 5 对比分析可知，随着开度的增大，阀门的降压能力越好。流体通过入口管进入阀门，流体降压点主要有2个：（1）流经套筒节流孔时；（2）流经阀座时。在阀芯低开度时，可以看出在套筒节流孔处降压较少，在阀芯与阀座处降压效果明显，压力降低约为30%。在阀芯大开度和全开时，节流孔降压作用则更为明显。在相同的入口压力下，阀芯开度越小，流通面积越小，阀内的出口压力越高，压力越不稳定，分布越不均匀，就越容易造成空化现象，造成阀门冲蚀磨损。改进后的 2 种不同套筒节流孔形状模型压力云图如图 6 所示。（a）内扩式（b）内缩式图 6 2 种不同节流孔形状的模型压力云图Fig.6 Pressurenephogramofmodelwithtwodifferent orificeshapes从上述 2 种改进后的压力云图看出，在小开度时，降压效果较原模型都有不同程度改善，特别是在流体经过节流孔时，压力大幅降低。第 1 种改进方式在全开时出口压力为 1.29MPa，较原模型降压能力下降幅度约为 20%。第 2 种改进则无论在小开度、中开度和全开时，都较原模型有不87同程度的改善，降压效果更好，低压区域分布更为均匀，对阀芯的冲蚀程度也更小。故在降压方面，第 2 种内缩式漏斗型节流孔有更优良的性能表现。2.2 速度场分析以小开度（20%）、中开度（50%）和全开（100%）为例，原模型内部流场的速度云图如图 7所示。图 7 速度云图Fig.7 Velocitynephogram调节阀入口流体流速均匀，当流经套筒节流孔时，由于流通面积的快速缩小，流体流动紊乱。当流动通过节流孔进入阀腔后，流通面积突然扩大，流体逐渐发散并在阀芯上方造成一定程度的回流现象。小开度时，流体经过阀芯与阀座交界处，流体方向发生改变，使得速度逐渐增大，并在阀体下方造成多处回流现象。随着开度的增大，回流渐渐消失，且在阀体下方形成大面积高速流动区域，最大流动速度达到 21.94m/s。改进后的 2 种不同套筒节流孔形状模型压力云图如图 8 所示。由图中可以明显看出，2 种改进方式较原模型在流速上都有着不同程度的改善，流体速度分布更加均匀，高速区域减少且不再集中于阀体下腔部分。特别是第 2 种改进方法，不仅解决了在小开度时在阀体下腔的回流现象，而且集中在流体通过节流孔后的回流现象也已消除。阀腔内最大流动速度为 14.26m/s，较原模型下降了约 35%，效果十分显著。在流体流经阀芯和阀座之间时，速度并未产生较大的变化，所以改进后的模型性能表现优于原模型。（a）内扩式（b）内缩式图 8 2 种不同节流孔形状的模型速度云图Fig.8 Velocitynephogramofmodelwithtwodifferent orificeshapes3 流量特性分析3.1 流量系数计算流量系数 Cv是指单位时间内，在保持恒定压力的管道内，流体流经阀门的体积流量，即阀门的最大流通能力，是调节阀重要工艺参数和技术指标16。因此计算对比分析 3 种不同套筒的调节阀的流量系数十分有必要。根据 GB/T17213.92005 工业过程控制阀 计算仿真流量系数，其公式为17：喻临风，等：套筒式调节阀结构改进及流场分析88FLUID MACHINERYVol.51，No.2，2023 CQpv=|N1101 2/（1）式中，Q 为某一开度下的体积流量；N1为常数，此时取N1=0.0865；1为流体的密度；0为15.5情况下水的密度；p 为进、出管口的压力差。通过软件模拟后，得到 3 种不同套筒的调节阀在各个开度下的进口流量，并计算得到流量系数 Cv。3.2 流量特性曲线分析以阀门的开度作为 x 轴，以流量系数作为 y轴，绘制流量特性曲线如图 9 所示。图 9 流量特性曲线Fig.9 Flowcharacteristiccurve由图 9 可知，3 种不同节流孔形状的调节阀的流量特性曲线图，基本都符合百分比流量特性曲线。3 种模型在小开度（20%）时，原模型的流量系数最大。在开度 50%60%之间时，内缩式节流孔模型的流量系数超过原模型。在大开度时，内缩式模型的流量系数最大，为152.135。较原模型流通能力提升了约22.73%，内扩式模型的流量系数均低于另外两种，说明内缩式模型更有优势，其在小开度下能平缓调节流量，在大开度下能快速灵敏调节流量。说明优化后的内缩节流孔式调节阀在实际生产中更具备优势。4 流阻特性试验阀门流阻系数用以表示阀门对通过液体的阻力，流阻系数的大小取决于阀门的结构、尺寸等。其数值越大代表对应的阀门流动能力越差18-20。在某阀门厂搭建流阻特性对比试验平台，试验流程如图 10 所示。图 10 试验系统Fig.10 Schematicdiagramofexperimentsystem系统前端为流体整流器，使通过的流体更加稳定，从而保证试验结果的准确性。在调节阀入口和出口管道分别安装测压器，计算压力损失p，所得数据由数据采集器进行收集汇总然后导入到计算机中，最后通过预设的流阻计算公式在计算机中算出优化前、后调节阀在不同开度下的流阻系数见表 1。表 1 流阻系数Tab.1 Tableofflowresistancecoefficients阀门开度（%）节流孔形状流阻系数原始孔型内扩孔型内缩孔型1016.25114.84213.5642013.58111.9239.7863010.9799.9968.4624010.3249.0567.668509.7018.6156.970608.8978.0206.131708.1426.2645.624807.0235.6864.901906.2415.1644.4971005.4495.0424.164由表 1 可知，随着阀门开度的不断变大，流阻系数明显变小。通过分析试验数据得知，优化后的内缩孔型结构在阀门全开时，较原模型流阻系数降低了 23.53%，流通能力更强。5 结论（1）对比分析 3 种不同形状节流孔的调节阀模型，由压力场云图分布可知，阀内降压区域主要为流体流经节流孔和阀芯阀座的间隙处。改进后，节流孔的降压能力增强，在开度为 100%时，内缩式节流孔模型的总体降压能力提升约13.65%，且低压区域分布更为均匀，对阀芯的冲蚀程度也更小。但全开时内扩式节流孔模型的出口管压力较高，较原模型降压能力反而降低约 20%，因此内缩式节流孔模型更为合理。（2）由速度场云图分布可知，流体流经阀门89时，主要的高速区域集中在阀体下腔部分。流体通过节流孔后存在回流现象，而改进的模型成功解决了这一问题，使得对阀芯的冲刷减小，延长了阀门的使用寿命。改进后的模型较原模型不仅速度分布更加均匀且全开状态下最高流速降低约35%，因此优化后的模型流动稳定性更好。（3）通过流量特性曲线图得知，3 种模型都基本符合百分比流量特性曲线。小开度下内缩式模型能平缓调节流量，大开度下较原模型流通能力提升了约 22.73%。验证了其优化后的合理性和正确性。（4）通过流阻特性实验得知，内缩孔型结构的流阻系数在全开时，较原始孔型降低了 1.285，而内扩孔型结构较原模型降低了 0.407。说明改进后的内缩式节流孔模型的流通能力更强，压力损失更小。参考文献：1 曹石婧.某试验系统用调节阀内部流场数值模拟及优化研究 D.兰州：兰州理工大学，2019.CAOSJ.NumericalsimulationandoptimizationofinternalflowfieldofregulatingvalveforatestsystemD.Lanzhou：LanzhouUniversityofTechnology，2019.2 ANYJ，KIMBJ，SHINBR.Numericalanalysisof3DflowthroughLNGmarinecontrolvalvesfortheiradvanceddesign J.JournalofMechanicalScienceandTechnology，2008，22（10）：1998-2005.3 彭龑，李淇阳，任爽.套筒调节阀内部空化流数值模拟与结构优化 J.机械工程师，2019（12）：12-14.PENGY，LIQY，RENS.Numericalsimulationandstructuraloptimizationofcavitationflowinsidesleevevalve J.MechanicalEngineer，2019（12）：12-14.4 王燕，徐晓刚，胡建.多级套筒调节阀流场数值模拟与流量特性研究 J.石油化工自动化，2013，49（1）：50-53.WANGY，XUXG，HUJ.Numericalsimulationandflowcharacteristicsofmulti-stagesleevecontrolvalveJ.AutomationofPetrochemicalIndustry，2013，49（1）：50-53.5 廖伯权，何庆中，王佳，等.水滴迷宫式调节阀空化特性计算与结构改进 J.流体机械，2021，49（2）：30-36.LIAOBQ，HEQZ，WANGJ，etal.CavitationCharacteristicscalculationandstructureimprovementofwaterdropletlabyrinthcontrolvalve J.FluidMachinery，2021，49（2）：30-36.6 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