引言
调节阀，又称控制阀，是在过程控制系统中通过动力操作改变流体流量的装置。随着自动化程度的不断提高，调节阀已广泛应用于冶金、电力、化工、石油等领域。在化工生产过程中，除了合理的工艺设计和先进的设备外，重要的是调节阀是否能按照主控制意识准确移动，从而准确改变材料或能量。如果调节阀的流量特性差、泄漏大、动作不可靠，自动控制过程的质量就会恶化，甚至失去调节效果，从而增加劳动强度，给生产带来重大的经济损失。空间煤化工系统中的主氧路氧气调节阀对其调节的稳定性、可靠性和灵敏度有更高的要求。因此，调节阀性能的提高对工艺效率的提高和能耗的降低起着重要作用。近年来，随着流体动力学的计算（以下简称）CFD）通过软件开发CFD数值模拟研究调节阀的流量特性，用于优化阀门行业的设计方案。CFD阀门设计中技术的应用使阀门的结构设计更加合理，更有利于我国阀门行业开发新产品，加快缩小与国外差距的步伐。
建立1 调节阀的结构和流道模型
本文以航天煤化工系统主氧路氧气调节阀为研究对象，为笼式单座调节阀。模型简化后的内部结构如图1所示，公称直径为80mm，总长为337mm。流体的流向是通过调整阀芯的行程来改变阀笼的流量面积，从而达到调整流量的目的。使用三维建模软件Solidworks，根据流道的几何尺寸和阀芯与阀座的组装关系，对不同开度下的流体流道进行三维建模。为了使流体流动更充分，阀门前后流道延长1万mm。图2显示了调节阀流体流道的三维模型。
图1 调节阀内部结构图
图2 调节阀流道三维模型图
2 数学模型
2.1 控制方程
在研究过程中，合理假设调节阀内的流体介质为不可压缩的粘性流体。无热交换、不可压缩粘性流体控制方程由质量守恒方程（连续方程）和动量守恒方程组成（N-S分别由方程组成：
质量守恒方程：
（1）
其中，u，v，w速度矢量分为三个方向。
动量守恒方程（N-S方程）：
（2）
（3）
（4）
其中，p，ρ，μ它们是压力、密度和动力粘度。
2.2 标准k－ε模型
湍流模型设置为工程中广泛使用的标准k－ε模型。
在标准k－ε紊流动能在模型中k方程和耗散ε方程分别为：
（5）
（6）
在上述方程中，Gk表示由平均速度梯度引起的湍动能；Gb用于产生浮力影响引起的湍动能；YM湍流粘性系数；C1ε，C2ε为常数。
3 数值模拟
将三维几何模型导入GAMBIT计算前的处理工作。确定计算域后，使用GAMBIT非结构化网格分为四面体网格，分为100万左右。其中，调节阀开度90%的流道网格分为图3所示。
图3 调节阀开度90%时流道网格划分示意图
从10%~90%到10个开度选择调节阀进行数值模拟。
将GAMBIT读入导出的网格文件FLUENT之后，选择求解器、求解方程和模型(选择k－ε标准湍流模型)，将流体设置为水，进出口的边界条件分别为:入口压力p1=100kPa，出口压力p2=0kPa。在设置控制参数和定义迭代次数后，可以初始化流场。
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4 结果分析
4.1 不同开度下流量特性模拟数据与液流试验台试验数据对比分析
流量特性是指介质流过阀门的相对流量和相对开度之间的关系。调节阀的流量特性是调节阀最重要的指标之一，当阀门前后压差不变时，得到理想的流量特性。流量系数为Kv，定义为：
（7）
式中：Q为流量，m3/h；Δp阀前后压差，kPa；ρ/ρ0为相对密度(规定范围内的水ρ/ρ0=1）。
取阀前后压差1000kPa，由流量系数定义可以计算出压差Kv=Q。将模拟获得的流量系数与液流试验台的实际测量值（表1）进行比较，并将两组数据拟合如图4所示。从图4可以看出，数值模拟曲线与实际测量值曲线基本一致，趋势基本一致。通过比较，可以看出通过模拟获得的调节阀的流量特性可靠，为调节阀的流道优化提供了依据。
表1 流量模拟值和不同开度下的实测值数据表
因此，在产品方案设计的早期阶段，可以使用数值模拟来预选设计方案，模拟从关闭到全开启范围的三维真实工作参数和介质，提供全面完整的流场信息，为提高阀门稳定性提供参考。后来，产品设计完成后，辅以少量测试来验证确定方案，避免大量盲目测试。
图4 调节阀流量特性模拟值与实测值对比曲线
运用CFD产品研发设计的数值模拟方法比以往的设计过程（见图5所示的流程图）更自由、更灵活，可以节省大量的人力和资金，大大提高研发设计效率。使用数值模拟方法还可以更准确地估计测试中难以测量的数量，提供测试无法获得的数据，模拟更复杂或理想的工作条件，扩大测试研究的范围。
图5
4.2 不同开度下流场分析
由于调节阀的固有流量特性为等百分比，主要工作范围为开度的10%~90%，本文选取了40%和90%的典型开度进行重点分析。
进出口压差为100kPa对调节阀的所有流道和对称面进行分析，研究其内部流场分布。
1)开度90%时流场分析
图6为对称面压力云图，图7为对称面速度矢量图。
图6 调节阀开度90%时，对称表面压力云图
图7 调节阀开度90%时，对称面速度矢量图
从图6可以看出，进出口压力相对均匀，分别为100kPa0左右，进出口压差较大，主要用于克服调节阀流道内的阻力。水流通过阀芯有减压增长的作用。从图7可以看出，进口流量相对均匀，出口流量分布不均匀。一般来说，没有明显的涡流，但在阀的左下部（见图7），有一小部分涡流，可以考虑优化这个流道。
2)开度40%时流场分析
图8为调节阀开度40%时对称面压力云图，开度40%时对称面速度矢量图。
图8 压力云图调节阀开度40%
图9
从图8和图9可以看出，与90%开度相似，40%开度下的水流通过阀芯有减压增速作用，但90%开度时，阀芯处的水流速度变化较明显，高速流面积较大；与90%开度相比，在40%开度下，由于阀芯处的过流面积较小，减压增速涉及的流域较小，速度波动较大的范围较小，出口处的流速较均匀。由于开度降低，进出口流速相对降低。
在40%的开度下，阀道左上、右上、右下、阀芯有明显的涡流。涡流的出现会消耗流体的能量，增加阻力系数。因此，应优化涡流处的流道，以减少或进一步避免涡流，减少能量损失，提高流量系数。
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调节阀流道改进优化
阀门流道产生的漩涡形成剧烈紊乱的分离回流区域是水头损失的主要原因。上述阀体内流场数值模拟的结果表明，流道需要优化。需要设计和改进流道中漩涡的部分，使介质进入阀体后流线光滑，并在拐角处适当减速，以避免折叠。流道改进后的调节阀模型如图10所示。
图10 流道改进后的调节阀模型
5.对比分析1 优化后不同开度下流量特性的模拟数据和液流试验数据
进出口压差仍为1000kPa为了条件，对改进后的调节阀从10%~30%到全开等10个开度进行数值模拟，将通过液流试验台获得的流量系数与实际测量值进行比较，如表2所示，如图所示11.从图11可以看出，数值模拟曲线与实际测量值曲线一致。
表2 流量模拟值和实测值表
图11 优化后调节阀流量特性模拟值与实测值对比曲线
5.2 优化前后流场特性对比
图12显示了调节阀流道优化前后流量系数的实测值对比，图13显示了调节阀对称面速度矢量图，开度为40%。
图12
从图12的拟合曲线可以看出，优化后的调节阀流量系数有所提高。通过将图13与图9进行比较，可以清楚地看出，优化后流道左上部的涡流强度大大降低，流道右上部的涡流也大大降低。但由于结构的限制，阀体流道变化不大，流线型阀体流道可以随后设计，以减少阀门的流阻。
对称面速度矢量图13 改进后调节阀开度40%
上述结果表明，增加阀流死角处的过渡圆角可以降低产生漩涡的可能性，使流场内的压力速度分布更加均匀。此外，阀芯处的剧烈减压增速区域明显向后移动，减少了流体对阀芯的侵蚀。可以看出，通过对阀流模型的数值模拟分析，可以轻松发现流道的不足，有效改进和优化，使阀门的结构设计更加合理。
6结论
(1)调节阀流量系数的模拟值与试验值一致，表明CFD完全适用于调节阀的流场分析；
（2）通过数值模拟，可以得到调节阀内流体的流动：速度场分布、压力场分布、流线方向、涡流等。调节阀的传统设计理念是初步设计样品，通过5-6次液流试验，反复修改阀的结构尺寸，最终得到合理的阀流曲线，实现产品定型；基于CFD的调节阀辅助设计方法，改变了传统的调节阀设计理念，经过CFD优化后的产品只能通过1-2次液流试验验证设计，从而大大缩短设计周期，节约成本。综上所述，基于CFD调节阀的辅助设计方法在突破高压氧气调节阀垄断方面发挥了重要作用。
应用这一先进理念开发设计的3″主氧路氧气调节阀已在鲁西化工等煤化工生产线上使用，调节开度为30%-60%，流量调节准确稳定，产品性能达到世界一流水平，可完全替代进口产品，填补氧路调节阀的空白。
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