1 引言
研究的電動調(diào)節(jié)閥主要用于空調(diào)、制冷、采暖等樓宇自動控制系統(tǒng)中冷/熱水，蒸汽的流量調(diào)節(jié)。它是一個不可缺少的控制元件，同時也是產(chǎn)生能耗的元件。因此，研究調(diào)節(jié)閥的水力特性，對于降低能量損失以及指導閥門設(shè)計有十分重要的意義。由于調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動極其復雜，對于調(diào)節(jié)閥水利特性的研究主要還是以試驗為主，成本高，耗時長，不利于新產(chǎn)品的開發(fā)。隨著計算機與CFD的發(fā)展，CFD數(shù)值模擬的優(yōu)越性越來越明顯，它不僅能詳細地顯示調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場，而且相對于實驗研究，它有其獨特的優(yōu)點：研究成本低，周期短；能在計算機上直觀地顯示結(jié)果，便于優(yōu)化設(shè)計；同時，它具有很好的重復性，條件容易控制。
利用Fluent軟件對調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的三維粘性流場進行了數(shù)值模擬，并對可視化結(jié)果以及流量特性進行了分析。
2 幾何建模
調(diào)節(jié)閥的實體模型，如圖1所示。

需要建立內(nèi)部流體區(qū)域的模型，使用CATIA軟件建模，考慮到對稱性結(jié)構(gòu)以及計算速度，取閥門內(nèi)部流道區(qū)域的一半作為計算區(qū)域。為了使流體充分流動，前后管道分別加長2倍管徑和5倍管徑。
3 流場分析理論基礎(chǔ)
假設(shè)調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動為三維不可壓縮粘性流動，內(nèi)部流體為紊流流動。用標準κ-ε紊流模型來封閉湍流時均運動控制方程。
（1）不可壓縮流體的連續(xù)性方程：
（2）不可壓縮流體紊流運動方程：
（3）標準κ-ε方程：
（4）紊流動能κ的方程：
（5）耗散率ε的方程：
式中：
ρ—流體密度；
ui—流體沿方向的速度分量；
p—流體微元體上的壓力；
μ—動力粘度；
υt—湍動粘度；
κ—湍流動能；
ε—耗散率；
υ—運動粘度；
模型常數(shù)：Cε1=1.44，Cε2=1.92，σκ=1.0，σε=1.3。
4 網(wǎng)格劃分與邊界條件
利用Fluent前處理軟件Gambit進行網(wǎng)格劃分，在閥芯附近，速度與壓強的梯度比較大，因此在此處進行網(wǎng)格細化，采用的是非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格；而在進出口采用六面體網(wǎng)格。總網(wǎng)格數(shù)在（15～20）萬之間，如圖2所示。以進、出口壓力作為邊界條件。

5 定常計算
采用分離求解器（Segregated）進行求解，流體介質(zhì)為水，密度為1000kg/m3，動力粘度系數(shù)為υ=0.001003Pa•s。設(shè)定邊界條件為進口壓力和出口壓力，湍流模型采用標準κ-ε方程，模型參數(shù)設(shè)為湍流強度I和水力直徑D。近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)法，固壁面采用無滑移邊界條件。壓力和速度的耦合采用SIMPLE算法，離散格式全部采用二階迎風格式，求解過程中松弛因子為：壓力項0.2，速度項0.5，紊流動能和耗散率均為0.5，監(jiān)視進、出口的質(zhì)量流量。
6 計算結(jié)果及分析
對DN40調(diào)節(jié)閥全開時進行模擬分析，迭代15000次達到收斂，模擬結(jié)果，如圖3～圖10所示。從殘差圖以及進口流量監(jiān)測圖，如圖3、圖4所示。可以看出，收斂效果很好，說明所建模型以及計算方法是合理的。

6.1 內(nèi)部流場分析
（1）從速度圖和壓力圖來看，如圖5、圖6所示。管道進、出口速度與壓力分布比較均勻，表明所取得計算區(qū)域可以讓水流充分流動，水流至閥芯底部時滯至，此處壓力升到最高。當水流至閥芯與閥座之間時，流通面積迅速減小，此處的壓力也迅速降低，而速度達到最大，流過閥芯時，壓力上升而速度下降。

（2）從壓力等值線來看，如圖7所示。在閥芯附近分布較密，壓力降主要集中在此。

（3）從速度矢量圖可知，如圖8所示。經(jīng)閥芯流出的主流集中在管的頂部，流速不均勻。

（4）從紊流動能等值線圖可知（圖略）。紊流動能在閥芯附近分布最密，紊流動能最大，能量損失主要集中在此。
（5）從流線圖可以清楚地看到（圖略）。在上閥腔的右下側(cè)以及下閥腔左上側(cè)有較大范圍的漩渦，并在上閥腔右下側(cè)形成了劇
烈紊動的分離回流區(qū)，引起能量損失。
6.2 流量特性分析
調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)定義為：溫度為（278～323）K（5～40℃）的水在105Pa壓強下，1h內(nèi)流過調(diào)節(jié)閥的立方米數(shù)，用m3/h表示。
即
式中：
KV—調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)；
Q—調(diào)節(jié)閥流量，m3/h；
△P—調(diào)節(jié)閥前后壓差，KPa。
對DN40-DN80調(diào)節(jié)閥數(shù)值模擬的結(jié)果，如表1所示。由表1可知：KV值誤差并不大，表明模擬結(jié)果是可靠的。

7 結(jié)論
調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的模擬值和理論值吻合較好，表明CFD可以應用于調(diào)節(jié)閥的流場分析。并且得到了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部詳細的流動情況：速度場分布、壓力場分布、流線走向、漩渦及二次流等，為調(diào)節(jié)閥流道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。同時，對于其它類型閥門流場的模擬有較大的參考價值。
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