DN 300型套筒式調(diào)節(jié)閥流量特性試驗與數(shù)值模擬研究

鐘豐平，潘偉亮，姚遠(yuǎn)，錢青江，張亞彬

（1. 浙江省特種設(shè)備科學(xué)研究院，杭州 310000；2. 國家特種金屬結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量檢驗檢測中心（浙江），杭州 310000；3. 浙江省特種設(shè)備安全檢測技術(shù)研究重點實驗室，杭州 310000）

調(diào)節(jié)閥作為重要的特種設(shè)備壓力管道元件，在流體介質(zhì)輸送中主要起到調(diào)節(jié)流量/壓力的作用，是現(xiàn)代大工業(yè)過程系統(tǒng)中確保各種工藝設(shè)備正常工作的重要元件[1]。調(diào)節(jié)閥，顧名思義，即在滿足結(jié)構(gòu)承壓強(qiáng)度安全和密封可靠的前提下，主要滿足流量調(diào)節(jié)功能。流量特性曲線是評估調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)性能的重要指標(biāo)，主要由5%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%開度下的流量系數(shù)擬合得到。調(diào)節(jié)閥全行程100%全開工況下的流量系數(shù)稱之為額定流量系數(shù)[2]。根據(jù)工業(yè)過程流體調(diào)節(jié)的需要，往往設(shè)計成線性流量調(diào)節(jié)特性、快開流量調(diào)節(jié)特性、等百分比流量調(diào)節(jié)特性等。

圖1 流量特性曲線Fig.1 Flow characteristic curve

目前，CFD數(shù)值模擬方法作為先進(jìn)設(shè)計方法，在國外閥門制造企業(yè)被廣泛采用，可在閥門結(jié)構(gòu)研發(fā)階段的設(shè)計方案預(yù)選、優(yōu)化設(shè)計起到重要作用，節(jié)省原材料投入和加工投入，減少研發(fā)投入的成本。國內(nèi)的少數(shù)規(guī)模閥門制造企業(yè)已聯(lián)合科研院所、高校陸續(xù)采用CFD數(shù)值模擬方法開展了閥門流場特性的研究。蘭州理工大學(xué)的李樹勛等[3]應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，對疏水閥內(nèi)部空化流動進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測了疏水閥內(nèi)部空化的發(fā)生與發(fā)展情況，并研究了不同開度、不同入口壓力及不同密封面角度對內(nèi)部空化流動的影響，研究表明三級套筒與均流罩的設(shè)置可有效抑制閥內(nèi)部空化的發(fā)生與發(fā)展。重慶川儀的郝嬌山等[4]分別對不同閥座漸擴(kuò)角時模型進(jìn)行CFD仿真模擬，提出閥門在實現(xiàn)最大介質(zhì)流通時閥座漸擴(kuò)角范圍，為閥門設(shè)計提供重要的理論參考。王燕、徐曉剛等[5]應(yīng)用CFD軟件對多級套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場進(jìn)行內(nèi)三維湍流流動數(shù)值模擬，分別對其壓力場、速度場和跡線分布進(jìn)行了分析，為多級套筒調(diào)節(jié)閥的設(shè)計提供了參考。楊佳明等[6]采用數(shù)值模擬與理論計算的方法，分析了穩(wěn)壓器噴霧閥的流量特性，研究了V形切口倒角尺寸和張角大小對流量系數(shù)的影響。由此可見，CFD數(shù)值模擬方法不僅在閥門研發(fā)設(shè)計、方案驗證研究中有著重要的意義。

以某企業(yè)DN 300型套筒調(diào)節(jié)閥為研究對象，開展了閥門流量流阻試驗測試研究和流場數(shù)值模擬計算研究。

1 單座套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及工作原理

套筒調(diào)節(jié)閥主要由閥體、套筒、閥瓣等結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示：套筒式調(diào)節(jié)閥的套筒與閥瓣為間隙配合，套筒上開有多個圓孔或錐形開孔，開孔直徑、開孔數(shù)量及孔的排列分布直接決定了閥門的流量調(diào)節(jié)特性和流量系數(shù)Kv，通過匹配工況的合理設(shè)計來實現(xiàn)流體流量/壓力的精確控制。節(jié)流套筒是套筒調(diào)節(jié)閥核心部件，是經(jīng)數(shù)控車床在圓筒上精確定位開孔加工制成。套筒調(diào)節(jié)閥的工作原理是由執(zhí)行器控制閥桿，進(jìn)而通過閥桿控制閥瓣的升降。過流面積隨著閥瓣在套筒內(nèi)的軸向運動發(fā)生改變，進(jìn)而實現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)控制。常見套筒結(jié)構(gòu)常見原理如圖3所示。

圖2 套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of sleeve regulating valve

圖3 節(jié)流套筒Fig.3 Throttling sleeve

2 套筒調(diào)節(jié)閥流量試驗研究

2.1 流量試驗原理

根據(jù)GB/T 30832—2014《閥門 流量系數(shù)和流阻系數(shù)試驗方法》、GB/T 17213.9—2005《工業(yè)過程控制閥 第2-3部分：流通能力 實驗程序》中對流量流量系數(shù)的定義：閥門進(jìn)出口兩端差壓為100 kPa時，5 ～ 40 ℃溫度范圍的水流經(jīng)閥門的流量。流量系數(shù)Kv的計算公式為：

式中Q——測得的水流量，m3/h；

Δp——被測閥門的凈差壓，kPa；

ρ——實際測試水的密度，kg/m3；

ρ0——15 ℃時的水密度，kg/m3。

由式（1）可知，流量系數(shù)Kv主要由流量、壓差計算得到，其測試原理如圖4所示。

圖4 流量測試原理圖Fig.4 Schematic diagram of flow test

2.2 閥門流量流阻試驗裝置

閥門流量流阻試驗裝置由水箱、水泵機(jī)組、穩(wěn)壓水罐、管路開關(guān)閥、電磁流量計、壓力檢測裝置、調(diào)壓閥、回水管路等組成。新研制投建的閥門流量流阻試驗裝置采用局域無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，適用閥門類型廣，可用于閘閥、截止閥、節(jié)流閥、球閥、蝶閥、隔膜閥、旋塞閥、止回閥、減壓閥、調(diào)節(jié)閥等閥門的流量試驗、流阻系數(shù)試驗及流量特性試驗。

2.3 調(diào)節(jié)閥流量試驗程序

采用新建成的閥門流量流阻試驗裝置進(jìn)行DN 300型套筒調(diào)節(jié)閥開展試驗測試，試驗測試程序如下：

（1）根據(jù)閥體標(biāo)識的介質(zhì)流向進(jìn)行樣品安裝，并保證被測閥門兩端連接密封可靠。

（2）給被測閥門接入控制信號和動力源。

圖5 閥門流量流阻試驗裝置Fig.5 Valve flow resistance test device

（3）控制閥門開度，全行程開關(guān)被試閥門2次，檢查閥門是否有卡阻、閥位偏差等問題。

（4）調(diào)節(jié)水泵運行頻率和背壓閥開度，將控制系統(tǒng)增壓至試驗壓差，完成試驗壓差下的試驗數(shù)據(jù)采集，檢查流量系數(shù)的穩(wěn)定性。

（5）對調(diào)節(jié)類閥門，100%全開試驗完成后，調(diào)整被試閥門至90%開度，重復(fù)步驟（4）。以此類推，分別完成80%、70%……20%、10%、5%的試驗數(shù)據(jù)。

（6）待試驗數(shù)據(jù)采集完成后，點擊數(shù)據(jù)保存，生成流量試驗數(shù)據(jù)報表和開度-流量特性曲線。

2.4 套筒調(diào)節(jié)閥試驗結(jié)果

DN 300型套筒調(diào)節(jié)閥流量試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示，擬合曲線得到流量特性曲線如圖6所示。

圖6 流量特性曲線Fig.6 Flow characteristic curve

3 套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場的數(shù)值模擬

3.1 三維模型的建立

根據(jù)設(shè)計圖紙，利用三維建模軟件建立DN 300型套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)。由于執(zhí)行器、填料壓蓋、連接螺栓等不會對閥內(nèi)流場造成影響，故簡化略去。建成套筒調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)模型如圖7所示。分別導(dǎo)出5%、10%、20%……90%、100%開度下的結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)封閉曲面建模生成不同開度下的內(nèi)流道模型。

表1 DN 300型流量試驗結(jié)果Table 1 DN 300 type flow test results

圖7 三維模型（全開狀態(tài)）Fig.7 3D model （fully open）

3.2 控制方程

按定常流動方法進(jìn)行模擬，以連續(xù)性方程、動量方程、k-ε雙方程組成數(shù)值模擬的控制方程組，對不同開度下的套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)流道模型進(jìn)行數(shù)值計算。

3.3 前處理與邊界條件

為高效計算結(jié)果，選擇自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)進(jìn)行流道網(wǎng)格劃分，并進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性檢驗。最終選定控制連接管內(nèi)流體域網(wǎng)格單元小于20 mm，閥內(nèi)流道內(nèi)網(wǎng)格單元大小小于5 mm。劃分后網(wǎng)格節(jié)點約為2.5萬，網(wǎng)格單元約為110萬。套筒調(diào)節(jié)閥60%開度模型的網(wǎng)格模型如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格模型Fig.8 Mesh model

設(shè)置邊界條件為：常溫水，進(jìn)口壓力300 kPa，出口壓力200 kPa。求解迭代次數(shù)500，收斂殘差值1×10-5。

3.4 計算結(jié)果分析

經(jīng)迭代計算收斂后，導(dǎo)出數(shù)值模擬計算結(jié)果。如圖9 ～ 11所示為60%的閥內(nèi)流場壓力云圖、速度云圖、跡線圖。

圖9 壓力云圖（60%開度）Fig.9 Pressure nephogram （60% opening）

圖10 速度云圖（60%開度）Fig.10 Velocity nephogram （60% opening）

圖11 跡線圖（60%開度）Fig.11 Trace diagram （60% opening）

由圖9可知，流體流經(jīng)套筒節(jié)流孔后，閥后出現(xiàn)了明顯的壓力恢復(fù)。此外，閥瓣平衡孔起到了良好的壓力平衡作用，減少了閥門啟閉操作的力矩。

由圖10 ～ 11可知，介質(zhì)在管道內(nèi)流速均勻流道內(nèi)，速度穩(wěn)定在1.25 m/s；閥內(nèi)流速出現(xiàn)明顯變化流經(jīng)套筒前流速在7.4 ～ 8.7 m/s；閥內(nèi)最大流速出現(xiàn)在節(jié)流套筒開孔出口。經(jīng)計算，流道內(nèi)最小雷諾數(shù)為375 000，雷諾數(shù)大于40 000，屬于強(qiáng)烈湍流狀態(tài)，與實際試驗條件基本一致。

表1 DN 300型流量數(shù)值模擬計算結(jié)果Table 1 Numerical simulation results of DN 300 type flow

4 試驗結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對比

對不同開度套筒調(diào)節(jié)閥的流量試驗結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)曲線擬合，如圖12所示。

圖12 結(jié)果對比Fig.12 Comparison of results

由圖12可知，套筒調(diào)節(jié)閥的實測流量特性曲線與數(shù)值模擬計算的趨勢基本一致，相對誤差均小于7%。經(jīng)分析原因后認(rèn)為，這主要因閥門三維流道結(jié)構(gòu)的建模與實際樣品的流道存在差異所致?？傮w來講，數(shù)值模擬計算的流量特性曲線可真實的反映實際閥門理想流量特性，CFD數(shù)值模擬計算方法對套筒調(diào)節(jié)閥的設(shè)計驗證具有重要意義。

5 結(jié)論

（1）經(jīng)實際流量試驗，該DN 300型套筒式調(diào)節(jié)閥的額定流量系數(shù)Kv為906，趨勢接近線性流量特性。

（2）經(jīng)CFD數(shù)值模擬計算的額定系數(shù)Kv為842.51，趨勢線接近線性流量特性。

（3）數(shù)值模擬計算與實測結(jié)果的相對流量特性曲線趨勢基本吻合，相對誤差約為7%，小于工程設(shè)計誤差的10%。

（4）套筒式調(diào)節(jié)閥的開孔數(shù)量、開孔直徑及排布等參數(shù)是影響閥門流通能力的主要因素。對閥門流道建模的準(zhǔn)確性會影響流量系數(shù)的計算結(jié)果的誤差，但對整體流通能力結(jié)果的影響有限。

（5）采用CFD數(shù)值模擬計算進(jìn)行套筒調(diào)節(jié)閥的閥內(nèi)流場可視化研究、流量特性設(shè)計等提供相對可靠的數(shù)據(jù)支持。