近年來，在閥門行業中CFD數值模擬計算已經開始應用，如在電站調節閥的設計及優化，液壓錐閥、大口徑環噴式流量調節閥、ATS調節閥等。
調節閥是過程控制系統中用動力操作去改變流體流量的裝置，調節閥在調節系統中是必不可少的，它是組成工業自動化系統的重要環節。調節閥的品種多、規格多，可靠性差，調節閥的流量特性與工業過程被控對象特性不匹配，造成控制系統品質變差。調節閥是耗能設備，應降低調節閥的能耗，提高能源的利用率，對流道中流線不連續的部位進行結構改進優化，使其流動性能更好。
1 調節閥結構及流道模型建立
1.1 調節閥結構與建模
文中采用某一型號套筒調節閥，其內部結構如圖1所示，公稱通徑為200mm，總長為1000mm。流體的流動方向為左進右出，通過調節閥芯的行程，可以改變套筒的流通面積，從而實現調節流量的目的。
圖1 調節閥內部結構圖
利用三維建模軟件，根據流道的幾何尺寸和與套筒的裝配關系，對流體流過的通道進行三維幾何建模，針對不同開度分別建模。調節閥開度為90%的幾何實體模型如圖2所示。
圖2 調節閥90%開度流道剖面示意圖
1.2 網格劃分
將三維幾何實體導入GAMB II進行計算前的處理工作。確定了計算域之后，用GAMB II對其進行非結構化網格劃分，流道網格劃分采用四面體網格，劃分后網格數為18萬左右。調節閥開度為100%的流道網格劃分如圖3所示。設定進出口的邊界條件分別為壓力進口和壓力出口等。
圖3 調節閥100%開度流道網格劃分示意圖
2 定常流動的數值模擬
將GAMB II導出的網格文件讀入FLUENT后，選擇求解器，求解方程及模型(選用適合于工程問題的k-ε標準湍流模型)，設置流體物性為水，設置邊界條件，進行流場初始化，設定控制參數及定義迭代次數等就可以得出求解結果。
2.1 開度100%時流場分析
對進出口壓差為146.538kPa條件下，取該調節閥的全部流道和對稱面進行分析，研究其內部的流場分布情況。全部流道上壓力云圖和對稱面上速度等值線圖分別為圖4和圖5。
圖4 壓力云圖
圖5 對稱面上速度等值線圖
從圖4可以看出，進、出口壓力較為均勻，分別為146.538kPa和0左右，進出口壓差較大，流道的壓降主要用于克服調節閥前后的阻力。
從圖5中可以看出，進口流速比較均勻，出口流速分布不是非常均勻，大約都在3m/s左右，在閥道左下部和右上部閥道中，有較大范圍的渦動，
可以考慮改變流道進行優化。
2.2 不同開度下流量特性模擬
流量特性是指介質流過閥門的相對流量與相對開度的關系。調節閥的流量特性是調節閥的最重要的指標之一，在前后壓差不變時得到的是理想流量特性。取前后壓差為4000kPa，針對不同開度進行數值模擬，計算結果如表1所示。
表1 不同開度下模擬結果
由不同開度下流量模擬得到理想流量特性曲線，如圖6所示。
圖6 流量特性模擬與試驗對比曲線
從圖6可以看出，數值模擬曲線和試驗曲線基本吻合，趨勢基本一致。通過比較，可以看出計算所得的該調節閥的流量特性是可靠的，為優化設計奠定了基礎。
3 流道改進優化及比較
在閥道內產生的旋渦形成劇烈紊動的分離回流區是水頭損失的主要原因，前面數值模擬的結果說明用曲率較大的圓弧連接形成的閥門通道并不是很合理。鑒于此，考慮閥門的安裝要求，只對閥門流道的下部和右半部分進行了改進，針對全開的情況下，以減小流道中的湍動能k和湍能耗散率ε為改進優化的目標，對套筒以下的全部流道進行了改進，使其橫截面積減小。圖7、8分別表示改進前和改進后1、2模型的對稱面剖面圖。
圖7 改進前的對稱面剖面圖
圖8 改進后的對稱面剖面圖
在全開狀態下，仍以進、出口壓差146.538kPa為條件，取改進前、后的模型的全部流道和對稱面進行分析，如圖9、10所示，研究其內部的流場分布情況。
圖9 改進前對稱面局部速度矢量圖
通過圖9、圖10可以看出，改進后的模型在閥門流道的左下部分也已經基本上沒有旋渦，說明此處的流動情況有好的改善，在右側閥道的流動過程中旋渦區域也變小了，說明改進后的模型也對閥門內流體的流動有較好的改善。表2為流道改進前、后的閥門內部流場的湍動能k和湍能耗散率ε的模擬結果比較。
圖10 改進后對稱面局部速度矢量圖
表2 改進前后流場的能量耗散數值模擬結果比較
由表2可以看出，改進后的湍動能k比改進前有所下降，湍能耗散率ε增大的幅度非常小，若以湍動能k和湍能耗散率ε作為優化的目標，則改進后的模型為最優模型。這與從可視化圖形中得出的結果是一致的。
4 結論
4.1 在減小該調節閥流道中回流時，可以考慮適當減小下部及右半部分流道流通面積，可以有效減小流動中回流，從而減少流動的能量損失。
4.2 對于減少閥道內產生的旋渦形成劇烈紊動的分離回流區是減少流體通過閥門水頭損失的較好的一種方法，該方法對其他類型閥門也具有指導意義。
