近年来，随着计算机和计算流体力学的发展（CFD）随着数值模拟的发展，数值模拟的优势越来越明显，流体机械的内部流动已经开始研究。节流管调节阀的内部结构比较复杂，本文应用CFD软件FLUENT三维数值模拟了其内部流场，详细研究了不同阀门结构的内部流场受力和阀门驱动电机的功耗。
1节流管式调节阀结构及三维建模
本文应用三维建模软件Pro/ENGINEER建立流道模型。
1.1 建立流道模型
图1是节流管式调节阀的结构图。它由阀体、阀盘组件、活塞组件、节流管组件、双面法兰和阀门周围组件组成。流体从右侧流出，从左侧流出。阀门的公称直径为DN设计压力为40/100.2MPa，工作压力为（2.15±0.10）MPa，减压压力不小于0.5MPa。
图1 节流管道调节阀结构图
从图1可以看出，节流管调节阀内部的流道比较复杂，直接建模流道将面临很大的困难。本文首先建立了阀门的实际模型，然后建立了与实际模型相同的内部无流道的实心模型，最后将两者重合组装成一个组件，依次采用编辑、组件操作、切割操作，即获得阀门流道模型。为了减少计算量和节约计算机资源，简化了节流管内部上部的流道，并使用了计算区域的一半，图2为提取的流道模型。
1.计算网格的划分
使用专业的预处理软件ICEM－CFD由于流道复杂，采用非结构化四面体网格对流道进行网格划分。阀头附近的流体速度和压力梯度非常大，因此该区域被加密。如图3所示，节流管调节阀开度为30%，网格数量为79万。
2 模拟计算和结构优化
本算例采用计算流体力学软件FLUENT数值模拟调节阀流场。
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2.1 边界设置
启动FLUENT，选用三维双精度求解器，导入流道网格。采用三维稳态隐性压力基求解模型，选用湍流模型k－ε湍流模型；流体介质采用水作为不可压缩流体，重力加速度为-9.8m/s2；湍流强度为3%，进口面边界为压力进口(2MPa），入口水力直径为0.08m，出口边界为压力出口(1)MPa），出口水力直径为0.1m；采用SIMPLE算法和一阶迎风离散格式，残差精度为10-5，并监控出口表面的流量变化。
2.2 节流管组件机械传动计算
节流管式调节阀的执行机构为小功率电机，最大功率为25W，工作电压220V，电机设计参数为15r/min。螺纹为普通三角形螺纹，其公称直径为d=8mm，螺距为1.25mm，中径为d2=7.188mm。
螺套管每分钟向下移动一次L=15×1.25=18.75mm；
螺套管的运动速度为：
牙型角α=60°，牙侧角；
螺钉和螺母的材料为钢，发现螺纹副的摩擦系数f=0.17；
当量摩擦角螺纹ρ正切值为：
螺纹升角ψ正切值为：
在螺杆和螺套管之间存在螺旋传动，该螺纹副的传动效率为：
假设电机的工作效率为100%，电机沿垂直轴旋转，并通过螺钉向下传动力。电机每旋转一周，螺钉也旋转一周，螺套向下移动螺距位移。P电机功率，P考虑到螺纹副的传动效率，可以根据公称直径与螺距的关系（如图4所示）得出相应的转换关系：
（1）
图4 公称直径与螺距的三角关系
根据功率、速度和力的关系：
（2）
由牛顿第二定律可以看出，电机驱动节流管向下匀速F对节流管的压力等于流体F，即
F'=F （3）
电机消耗的功率P为：
（4）
其中：a≈0.0181m/s。
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2.3 结构优化
通过上一节的机械传动计算，可以看出电机功率与节流管压力成正比。本文从降低节流管压力的角度优化了流道的设计。通过观察流道结构，可以降低阀体孔的直径(导气孔结构如图2所示)。
节流管调节阀体内导气孔的实际直径为6mm，应用Pro/E软件改变节流管式调节阀中导气孔的直径，将直径分别改为4、5、7、8mm，并提取各流道模型 ，划分网格，导入FLUENT内部进行数值模拟。表1是计算节流管的轴向压力和活塞的应力。
表1 改变阀体内导气管直径时节流管的应力
当导气孔直径为4、5、6、7、8mm当相应的电机功率分别为2.39、2.49、2.65、2.836、3.02W。
从图5可以看出，当导气孔直径降低时，活塞上表面的压力也会降低，活塞两侧流体的压差也会降低。活塞是驱动阀杆向下移动的主要动力。如果导气孔直径过度降低，会影响活塞的合力，进而影响阀门的开启。因此，适当降低阀体内导气孔的直径可以有效节省阀门电机的功耗。图6为电机功率随导气孔直径变化的曲线图。从图6可以看出，电机功率随导气孔直径变化明显。当导气孔直径大于阀门实际直径时，电机功率随导气孔直径的增加而增加；当导气孔直径小于其实际直径时，电机功率随直径的减小而减小。
图5 活塞两侧压差随导气孔直径变化的曲线图
图6 电机功率随导气孔直径变化的曲线图
3 结语
减少节流管式调节阀的导气孔直径可以有效降低电机功耗。通过模拟不同导气孔直径的调节阀内部流道的三维稳态值和节流管内部的机械传动计算，得出节流管端面和活塞两侧流体的压力，在不同导气孔直径的电机功率上找到阀门。分析得知，当导气孔直径减小时，电机功率减小；当导气孔直径增大时，电机功率也会增加。
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