運(yùn)用PHOENICS流體計(jì)算軟件，建立了錐閥的物理結(jié)構(gòu)和參數(shù)的計(jì)算幾何模型。采用了結(jié)構(gòu)化正交局部加密網(wǎng)格，應(yīng)用了k-ε湍流計(jì)算模型，對(duì)外流式錐閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了模擬仿真，給出了優(yōu)化方案。并對(duì)其進(jìn)行了CFD驗(yàn)證，研究了流量變化、開啟度變化對(duì)錐閥流場(chǎng)特性的影響。研究結(jié)果對(duì)于分析錐閥的性能、進(jìn)行流道的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和實(shí)際工程應(yīng)用都具有一定的指導(dǎo)作用。

　　錐閥具有密封性能好、過流能力強(qiáng)、響應(yīng)快、抗污染能力強(qiáng)等特點(diǎn)，已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。流體在錐閥中的實(shí)際流動(dòng)情況是十分復(fù)雜的，同時(shí)對(duì)錐閥的各種性能都會(huì)產(chǎn)生重大影響，其中包括能量利用率、作用于閥芯上的動(dòng)力、流體的噪聲等。所以，運(yùn)用數(shù)值模擬方法對(duì)錐閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行解析和了解錐閥內(nèi)部流場(chǎng)的特性就顯得相當(dāng)重要了。

1、模型建立

　　1.1、幾何模型

　　外流式錐閥主要是由閥座和閥芯組成。尺寸為：d=10mm，d1=d2=100mm，d3=15mm，d5=30mm，d6=30mm，α=45°，k為開度(見圖1)。

圖1 外流式錐閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

　　對(duì)此模型的相關(guān)假設(shè)如下：(1)流體為不可壓縮流體，即

，ρ為流體密度;

　　(2)假定錐閥閥芯與閥套配合精確，沒有徑向間歇，無(wú)泄漏;

　　(3)不考慮流體質(zhì)量力的影響;

　　(4)假定系統(tǒng)內(nèi)部流體無(wú)熱傳導(dǎo)現(xiàn)象;

　　(5)壁面處無(wú)滑移，即固定壁面處速度為零;

　　(6)流k-ε動(dòng)狀態(tài)為湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。

　　1.2、數(shù)學(xué)模型基本計(jì)算公式如下：

　　湍流基本方程：

(1)

　　湍動(dòng)能k：

(2)

(3)

　　湍流耗散率ε：

(4)

　　流量系數(shù)cd：

(5)

　　式中：A(k)—閥口的過流面積;

　　Q—流量;

　　ρ—流體密度;

　　Δp—進(jìn)出口的壓力差;

　　k—閥口開度;

　　α—錐閥的半錐角;

　　d—閥入口處直徑。

2、計(jì)算網(wǎng)格與邊界條件

　　2.1、計(jì)算網(wǎng)格

　　在PHOENICS的VR編輯器中建立計(jì)算的模型，選擇柱坐標(biāo)系，點(diǎn)擊Menu(主菜單)中的Geome-try按鈕，在GridMeshSettings對(duì)話框中設(shè)置流場(chǎng)區(qū)域尺寸與網(wǎng)格分布，X方向設(shè)置為0.5，Y方向設(shè)置為0.035m，Z方向設(shè)置為0.2m。X方向的網(wǎng)格設(shè)置為1，Y方向的網(wǎng)格設(shè)置為80，Z方向的網(wǎng)格設(shè)置為200，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為1600個(gè)。計(jì)算次數(shù)設(shè)置為40000次，經(jīng)過反復(fù)試算，松弛因子為0.5時(shí)，收斂效果最佳(見圖2)。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格示意圖

　　2.2、邊界條件

　　基于流動(dòng)的復(fù)雜性，我們對(duì)模擬流場(chǎng)進(jìn)行了簡(jiǎn)化設(shè)置：此流場(chǎng)采用柱坐標(biāo)系，X方向表示弧度，Y方向表示錐閥的軸向，Z方向分別表示錐閥的徑向;流場(chǎng)內(nèi)的流體為牛頓流體、流態(tài)為湍流，其中流體設(shè)為1atm下0℃的水。進(jìn)、出口邊界設(shè)為速度入口和壓力出口，出口壓力設(shè)為0。

3、模擬結(jié)果和改善

　　3.1、不同進(jìn)口速度仿真結(jié)果

　　為了說明在閥口開度相同時(shí)，流量變化對(duì)外流式錐閥內(nèi)部流場(chǎng)的影響。本文模擬了流量為20L/min時(shí)閥內(nèi)流場(chǎng)情況，X軸表示距入口距離用L，Y軸表示壓力的變化值，用P表示(見圖3，4)。

圖3 流量為20L/min的速度矢量圖

圖4 流量為20L/min的速度等值圖

圖5 開度為5mm速度矢量圖

　　3.2、不同閥口開度的模擬結(jié)果

　　為了了解開度對(duì)外流式錐閥內(nèi)部流場(chǎng)的影響，本文模擬了進(jìn)口速度相同即流量相40L/min時(shí)，錐閥開度5mm時(shí)的閥內(nèi)流場(chǎng)情況(見圖5，圖6)。

圖6 開度為5mm速度等值圖

　　3.3、外流式錐閥的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　從理論分析可知，漩渦的存在是各種閥類能量損失和噪音主要原因之一。從分析模擬計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在外流式錐閥流道內(nèi)形成了兩個(gè)主要的漩渦，它們對(duì)外流式錐閥的能量損失和噪音產(chǎn)生起到到很大的作用。

　　為了減小漩渦一，可以改變外流式錐閥的閥座結(jié)構(gòu)，即改變K的大小;

　　為了消除漩渦二，可以改變錐閥閥芯的結(jié)構(gòu)，消除漩渦的存在區(qū)域，即改變d大小。

圖7 開度、流量與流量系數(shù)的關(guān)系圖

　　3.4、流量系數(shù)的計(jì)算

　　流量系數(shù)值是指單位時(shí)間內(nèi)、在測(cè)試條件中管道保持恒定的壓力，管道介質(zhì)流經(jīng)閥門的體積流量，或是質(zhì)量流量，即閥門的最大流通能力。閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標(biāo)，流量系數(shù)值大，說明閥門的流通能力大，流體流過閥門時(shí)的壓力損失小(見圖7，圖8)。

圖8 優(yōu)化前后的流量系數(shù)對(duì)比圖

　　如圖7所示，流量一定時(shí)，隨著閥口的開度增加，流量系數(shù)減少;當(dāng)開度一定時(shí)，流量越大，流量系數(shù)越大。當(dāng)開度增加到一定值時(shí)，隨著開度的增加，壓力變化不再明顯，流量系數(shù)趨于平穩(wěn)。閥門的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的指標(biāo)，流量系數(shù)值大，閥門的流通能力大，流體流過閥門時(shí)的壓力損失小。而圖8中顯示在相同的條件下，優(yōu)化后的流量系數(shù)比優(yōu)化前的流量系數(shù)大。優(yōu)化后的錐閥的流通能力大，壓力損失小，所以錐閥的優(yōu)化方案是可行的。

4、結(jié)論

　　(1)利用PHOENICS軟件對(duì)外流式錐閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了開度、流量變化對(duì)錐閥流動(dòng)特性的影響�？芍�：流體在通過錐閥節(jié)流口處時(shí)，流速增加，壓力減小;在閥芯和閥座的拐角處產(chǎn)生了漩渦，能量損失與漩渦的區(qū)域的強(qiáng)度、大小和過流斷面的面積有關(guān);在流量一定時(shí)，閥的開度增加，漩渦強(qiáng)度加大，噪音和能量損失增加;在開度一定時(shí)，流量增加，壓差加大，漩渦區(qū)域越明顯。

　　(2)根據(jù)對(duì)模擬結(jié)果的分析，提出了錐閥的一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)，即消除錐閥閥芯結(jié)構(gòu)上的凹角、將閥座拐角處由直角轉(zhuǎn)變?yōu)榈菇牵�并�?duì)其進(jìn)行CFD解析，驗(yàn)證了錐閥優(yōu)化方向的可行性。

　　(3)計(jì)算了錐閥在不同流量不同開度下的流量系數(shù)，得到了流量系數(shù)和開度、流量之間的關(guān)系：在其他條件不變時(shí)，流量越大流量系數(shù)越大，即閥的流通能力越大;在其他條件不變時(shí)，流量系數(shù)隨著開啟度的增減而減小，當(dāng)開啟度增加到一定值時(shí)，流量系數(shù)趨于平穩(wěn)。

　　(4)計(jì)算了錐閥優(yōu)化前后的流量系數(shù)，結(jié)果表明：在相同條件下，優(yōu)化后的錐閥流量系數(shù)比優(yōu)化前的流量系數(shù)大，即優(yōu)化后的錐閥流通能力大，壓力損失小。