自力控制阀流阻系数数值模拟优化

阀门的流阻系数是衡量流体流过阀门造成压力损失大小的指标，是表示阀门压力损失的一个无量纲系数。流阻系数的大小与阀门的类型、阀门尺寸、管道结构及壁面摩擦阻力等有关[1]。通过对阀门流阻系数的比较可以直观地了解到不同阀门的流通能力。同时，流阻系数也是在水锤模拟计算中不可缺少的数据。

阀门流阻系数计算公式：

式中：ξ——流阻系数；

ΔP——阀门进出口压差，Pa；

v——流体在管道里的平均流速，m/s；

ρ——流体密度，kg/m3。

使用Solidworks软件对蝶式自力控制阀进行三维建模，模型如下图所示。

图6.1　自力控制阀三维模型示意图

模型建好之后，使用Fluent软件进行流场分析。为了对三维模型进行简化、提高网格的划分质量，合并了模型的零部件和较复杂的结构，并且去除了模型的倒角。在阀门前端增加约5倍内径的管道，阀门后端增加约10倍内径的管道，以防止阀门进出口对模拟的影响，同时可以使湍流场在流道内充分发展，画好的网格如下图所示：(www.xing528.com)

图6.2　三维模型网格

采用k-εRNG湍流模型。模型进口采用压力边界条件（Pressure-Inlet），入口压力设置200kPa，出口采用压力边界条件（Pressure-Outlet），出口压力设置100kPa，壁面采用无滑移固壁边界条件，壁面粗糙度为0.046mm。阀门中的流体介质为水介质，按不可压缩流动处理。采用SIMPLE算法做稳态流场迭代计算。计算步数在400步以上，计算收敛时能够保证连续方程残差达到10-4以下，动量方程残差达到10-4以下。模拟得到的速度与压力云图如下图所示：

图6.3　全开状态下的自力控制阀轴心切面速度云图

图6.4　全开状态下的自力控制阀轴心切面压力云图

分别进行自力控制阀不同开启角度情况下的模拟计算，得到相对应的流体速度，将得到的速度和自力控制阀前后压力设置代入公式计算不同开启角度下的流阻系数，结果如表6.2所示。

表6.2　不同开度对应的阀门流阻系数

由表可知本文研究使用的自力控制阀在全开状态下的流阻系数为1.57，生产厂家提供的阀门在全开下的流阻系数的实验数据为1.60，模拟计算结果与实验数据之间的误差为3%小于5%，模拟计算结果基本符合实际情况。查阅文献可知在全开状态下一般Y型自力控制阀的流阻系数为1.4～2.5，一般角型自力控制阀的流阻系数为3.0～5.0，一般T型自力控制阀的流阻系数为4.3～6.1[2]。由于研究使用的自力控制阀采用了蝶阀的结构，相比其他结构的普通自力控制阀的流阻系数和水头损失更小，降低了能耗，同时其结构更加轻小，成本低、安装和维护较为方便。