論述了70MPa 高壓差調節(jié)閥的使用要求和結構特點。通過CFdesign 軟件對其介質流場進行分析，得到了介質流通過程中壓降的分布情況，為其閥體的結構優(yōu)化和避免空化、氣蝕現(xiàn)象的產生提供了科學的理論依據(jù)。

1、概述

　　壓裂工具動態(tài)模擬試驗裝置提供一種模擬壓裂真實狀態(tài)的實驗環(huán)境，用于水平井壓裂技術研發(fā)中的單項工具實驗和成品壓裂完井工具進入現(xiàn)場前的評價實驗，如攜砂壓裂液對壓裂工具的沖蝕實驗、壓裂噴口及射孔噴嘴結構優(yōu)化實驗和真實壓裂環(huán)境( 高壓、大排量、攜砂) 條件下工具的可靠性實驗及破壞性實驗等。模擬試驗裝置中高壓節(jié)流調節(jié)閥用于調整系統(tǒng)內部壓力，其內部機構采用耐沖蝕設計，節(jié)流壓差最大70MPa，壓力自動連續(xù)調整。

2、參數(shù)

　　額定實驗壓力70MPa

　　流量調節(jié)范圍0 ～ 3m3 /min

　　口徑78mm( 31 /16 in. )

　　執(zhí)行機構電動

　　連接形式RTJ 環(huán)連接

3、結構

　　高壓差調節(jié)閥( 圖1) 的兩個節(jié)流串聯(lián)在閥體內，兩閥芯由一套驅動裝置帶動，同步運動，其介質參數(shù)( 流量、壓力) 的變化呈正相關關系。介質由第一個節(jié)流件節(jié)流后經(jīng)閥內兩路并行的通道再進入第二個節(jié)流件。閥芯內設置了上下通連的壓力平衡孔，通過壓力平衡孔將下腔的低壓引至閥芯頂部，以減小介質壓力引起的作用在閥芯軸向的不平衡力、減小執(zhí)行器負荷。電動執(zhí)行器推桿與兩個閥芯由一個導向裝置連接。每個閥芯節(jié)流等級初定設計為14 級、并讓介質不斷作90°轉向以消耗其動能，達到減速降壓差的目的。

4、流場分析

　　4.1、提出問題

　　高壓差調節(jié)閥在使用過程中，由于介質的壓差很高，很容易產生空化和氣蝕，對閥門的使用壽命造成很大的影響。同時，介質的高速沖刷也會對閥門產生極大的震動和噪音。因此，通過CFdesign 軟件對介質的流場分析，可以知道節(jié)流閥芯各部分的壓降大小，驗證壓差是否控制在設計要求內，優(yōu)化產品的結構設計。

1、6. 節(jié)流套筒2. 閥芯3. 節(jié)流環(huán)4. 閥蓋5. 閥體

圖1 70MPa 高壓差調節(jié)閥

　　4.2、實體造型

　　采用三維繪圖軟件Solid works 建模，造型過程中將圓角、倒角等與流道無關的組件忽略，閥體按照其組裝件的結構整體建立成一個零件，簡化閥體外型。進出口分別拉伸2 倍和3 倍口徑長度的管徑，以確保穩(wěn)定的收斂狀態(tài)。將Solid works 中的模型導入CFdesign 中( 圖2) ，比較導入前后的模型，確保信息的完整性。進口壓力設定為70MPa，出口壓力設定為0MPa，閥體材料為固體，介質為常溫水。

圖2 CFdesign 中的閥體模型

　　4.3、網(wǎng)格的劃分

　　將閥體、套筒、節(jié)流閥桿等與流場分析無關的部件抑制，在對流體介質網(wǎng)格劃分的過程中，充分利用自適應網(wǎng)格劃分技術在模型尺寸發(fā)生突變處自動將網(wǎng)格細化的功能，使整個模型自動分配網(wǎng)格，劃分后的模型網(wǎng)格有931 818 個單元( 圖3) 。

圖3 流體域網(wǎng)格的劃分

5、結果處理

　　將迭代步數(shù)設為1 000，點擊運行按鈕，進行分析計算，當運行到862 步時，運行結束，參數(shù)收斂。截取x - z 平面，得到切面的速度云圖和壓力云圖( 圖4，圖5) 。

圖4 X - Z 切面速度云圖

圖5 X - Z 切面壓力云圖

　　由速度云圖可知，進出口平均流速V =12. 76m /s。根據(jù)流量的計算公式

Q = VS ( 1)

　　式中Q———流量，m3 /min

　　V———進出口的平均流速( V = 12. 76) ，m /s

　　S———進出口的截面積( S = 4 638) ，mm2將已知數(shù)據(jù)代入式( 1) ，流量Q = 3. 53m3 /min。分析其計算結果，14 級節(jié)流閥芯的流量3. 53m3 /min 比實驗要求的流量調節(jié)范圍0 ～3m3 /min 偏大，所以將閥芯節(jié)流件增加一級，為15 級。重新進行分析計算，直到參數(shù)收斂，此時進出口平均流速V = 9. 6m /s，流量Q = 2. 67m3 /min，在實驗要求的0 ～3m3 /min 范圍內， 15 級節(jié)流的閥芯結構滿足實驗要求。

6、結語

　　通過增加閥芯節(jié)流級數(shù)，改變了閥門的流量調節(jié)范圍，延長了閥門的使用壽命，同時達到了減音降噪的效果。