1 引言

    生产过程自动化和流体输配过程中调节阀有着广泛的应用背景，调节阀的流量调节特性直接关系着整个自动控制的品质。电动调节阀的流量特性一般可以分为直线、等百分比、快开和抛物线等，其中普通角行程蝶阀因有K_VS明显偏大、调节特性差等缺点，只能应用于简单开关控制场合。

    本文作者自行研究开发一种新型的调节蝶阀模型，即通过在阀板上安装配流盘实现线性流量特性的调节蝶阀。这种阀门的内流结构完全对称，对执行器配置技术要求较低，且同一口径规格的阀门可以实现不同规格的标称流量系数，应用十分灵活。

    本文通过利用CFD技术对新型调节蝶阀的多个阀门设计模型进行了三维湍流模拟，在数值结果对比和人工优化后，对符合要求的产品模型再一次进行配流孔尺寸的修正，满足了理想的线性流量特性。

    论文研究者还搭建专门了实验台，利用装配高精度传感器和数据采集装置的实验台，对调节阀的流量特性进行了实验研究，结果表明，利用CFD技术对阀门模型的创新研发结果是可行的，我们所开发的安装配流板的调节蝶阀具有线性流量调节特性。

    2 基本原理和三维建模

    调节阀可以简化成一个阻力可变的节流元件，主要用于调节控制节点的流动特征（如流量、压力等）。 配置电动执行机构的调节阀门简称电动调节阀，利用电动执行器通过改变阀门的通流面积，从而改变了自身的流量系数，简化的工程计算公式：

    式中：G_V是一种阀门开度和流体介质相关的流量系数；A是阀门的当量通流面积；Δp=p₁-p₂是阀门前后截面平均压力的差值；Q为通过阀门的体积流量；ρ为流体介质密度。

    对于确定的流体介质来说，阀门在一特定开度范围和确定Re数范围内，其C_V值将近似保持不变。假设阀门压差保持不变，则阀门开度与体积流量成线性关系的阀门称为阀门流量线特性。

    我们所自行设计开发的阀门计算模型如图1所示，整体由蝶阀板、转到轴、阀体和2块配流板组成。U型配流板的作用不仅仅是为了调节阀门全开状态下的流量系数，同时在阀门旋转过程中通过调节阀门的当量通流面积，从而实现调节阀门的线性流量特性要求。

图1 调节蝶阀的产品模型

    具体数值模拟过程中我们假设来流速度恒定不变，也就是阀门所在管道的入口处的速度恒定。在计算模型的选择上，我们采用的是工程中应用比较广泛的RNGK-ε三维湍流模型和非结构化网格的SIMPLE方法。网格大致结构如图2所示。

图2 Y=0的轴向剖面局部网格结构

    数值模拟的收敛节条件为：Continuity、X-velocity、Yvelocity、Z-velocity、K、Epsilon值均小于0.001。对阀门在不同的开度X、不同来流速度进行了数值模拟。

    在数值计算得出结果后首先是定性分析。在计算结果的三维模型中取一轴向平面，利用工具软件显示其Z-velocity云图，90°全开的数值结果如图3显示，阀门上下速度呈对称状态，阀门内流速度分布合理。通过对阀门前后某管道截断面压力场进行三维数值离散积分，得出远离阀门一定距离的前后管道截断面的平均压力值，进而得出阀门压降，截面压力如图4a、4b所示，截面速度如图4c、4d所示。我们可以看出所取的压力面上压力场处于稳定状态，各个点的压力已十分接近。在计算结果的处理上，我们采用点压来代表面的平均压力。因此更加有利于和后面的实验过程中进行对比。

图3 阀门在全开情况下的轴向速度矢量图

图4 阀前、阀后的截面压力和速度

    3 实验测试

    为了验证三维湍流数值模拟的数据结果，我们专 门加工制造了与三维计算模型相同尺寸和相同内部结构的阀门模型，同时搭建了装配有高精度流量传感器和压差传感器的管路实验台（如图5所示）。利用高分辩率电动执行装置转动阀门，在不同的开度下测量阀门的压降以及流量Q。其中流量系数、相对流量系数的定义参考文献^[1]、[2]（见表1），试验对比结果如图6所示。

图5 实验台示意图

图6 模拟计算和实验测试数据拟和曲线对比

    4 结论

    本文通过对自行设计的新型线性特性的调节蝶阀模型进行了三维湍流流动的数值分析，同时利用数值模拟的结果进行人工优化后，选择了一个产品模型，并进行了实验研究，结果表明：

    （1）利用阀门配流板当量通流面积的初步设计思路，结合CFD优化技术所计算获得的调节蝶阀具有线性流量特性，方法可行；
    （2）当量数值计算和实验研究对比结果表明，CFD数值模拟方法可以预测设计阀模型的流量特性，为阀类新产品的研发节省了大量实验的成本。因此，三维CFD数值模拟技术完全可以用于调节阀的开发和设计； 
    （3）利用本文的方法得到的调节型电动蝶阀具有十分理想的线性调节特性，可以推广应用。

原创作者：浙江金锋自动化仪表有限公司