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

　　錐閥具有密封性能好、過流能力強、響應(yīng)快、抗污染能力強等特點，已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。流體在錐閥中的實際流動情況是十分復雜的，同時對錐閥的各種性能都會產(chǎn)生重大影響，其中包括能量利用率、作用于閥芯上的動力、流體的噪聲等。所以，運用數(shù)值模擬方法對錐閥內(nèi)部流場進行解析和了解錐閥內(nèi)部流場的特性就顯得相當重要了。

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)簡圖

　　對此模型的相關(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)部流體無熱傳導現(xiàn)象;

　　(5)壁面處無滑移，即固定壁面處速度為零;

　　(6)流k-ε動狀態(tài)為湍流，采用標準湍流模型。

　　1.2、數(shù)學模型基本計算公式如下：

　　湍流基本方程：

(1)

　　湍動能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、計算網(wǎng)格與邊界條件

　　2.1、計算網(wǎng)格

　　在PHOENICS的VR編輯器中建立計算的模型，選擇柱坐標系，點擊Menu(主菜單)中的Geome-try按鈕，在GridMeshSettings對話框中設(shè)置流場區(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)點為1600個。計算次數(shù)設(shè)置為40000次，經(jīng)過反復試算，松弛因子為0.5時，收斂效果最佳(見圖2)。

圖2 計算網(wǎng)格示意圖

　　2.2、邊界條件

　　基于流動的復雜性，我們對模擬流場進行了簡化設(shè)置：此流場采用柱坐標系，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、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、不同進口速度仿真結(jié)果

　　為了說明在閥口開度相同時，流量變化對外流式錐閥內(nèi)部流場的影響。本文模擬了流量為20L/min時閥內(nèi)流場情況，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

　　為了了解開度對外流式錐閥內(nèi)部流場的影響，本文模擬了進口速度相同即流量相40L/min時，錐閥開度5mm時的閥內(nèi)流場情況(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。從分析模擬計算結(jié)果來看，在外流式錐閥流道內(nèi)形成了兩個主要的漩渦，它們對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)的計算

　　流量系數(shù)值是指單位時間內(nèi)、在測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，流量系數(shù)值大，說明閥門的流通能力大，流體流過閥門時的壓力損失小(見圖7，圖8)。

圖8 優(yōu)化前后的流量系數(shù)對比圖

　　如圖7所示，流量一定時，隨著閥口的開度增加，流量系數(shù)減少;當開度一定時，流量越大，流量系數(shù)越大。當開度增加到一定值時，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，流量系數(shù)值大，閥門的流通能力大，流體流過閥門時的壓力損失小。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軟件對外流式錐閥的內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，分析了開度、流量變化對錐閥流動特性的影響。可知：流體在通過錐閥節(jié)流口處時，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)域的強度、大小和過流斷面的面積有關(guān);在流量一定時，閥的開度增加，漩渦強度加大，噪音和能量損失增加;在開度一定時，流量增加，壓差加大，漩渦區(qū)域越明顯。

　　(2)根據(jù)對模擬結(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�，并對其進行CFD解析，驗證了錐閥優(yōu)化方向的可行性。

　　(3)計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，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，流量系數(shù)隨著開啟度的增減而減小，當開啟度增加到一定值時，流量系數(shù)趨于平穩(wěn)。

　　(4)計算了錐閥優(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。