第一章 绪论
§1.1 选题背景
阀门[1]是流体管道流动的控制装置，其最基本的功能是接通或切断管路的流通。利用 阀门可以改变管路中的介质流动方向、调节介质的压力和流量以及保护管路系统的安全运 行。阀门品种繁多，应用极广，尤其在动力、机械、化工、水利、船舶、航空以及城市给排 水等许多领域大量应用。 随着科技的进步，国内外阀门技术的发展都非常迅速，工程应用对阀门的质量要求也 越来越高。阀门的水力特性对于指导阀门设计至关紧要。然而在阀门流道中普遍存在湍流、 分离、气穴，水击等复杂的流动现象，使其水力特性的理论分析与预测有很大困难。长期以 来，阀门水力特性的研究几乎全靠试验测定。由大量实验归纳总结得到的图表和经验公式、 数据是设计人员的主要依据。 由于阀门种类繁多、 即使同一类型的内部结构也会有较大差异， 且产品更新快。 因此， 根据以住产品的试验结果取得的数据资料来设计新产品往往带有很大 误差。这是影响阀门新产品开发、技术提高的关键因素。 随着电子计算机和计算流体力学（Cumputer Fluid Dynamic，简称 CFD）的迅猛发 展，CFD 数值模拟己逐渐成为工程设计的一个重要的辅助手段。它先在航空航天、大型动 力设备、核反应堆等高技术产品的研发过程广泛应用，又迅速向流体、化工机械与设备等各 种与热、流相关的通用类产品扩展。近年来，在阀门设计中 CFD 数值模拟也得到应用，发 达国家在这类产品的研究开发中已运用数值模拟为主进行设计方案预选， 再以较少量试验来 校核确定方案，基本上能做到避免带有盲目性的试验[2][3]。CFD 技术在阀门的设计中的应 用使得阀门的结构设计更趋于合理[4]~[13]。 国内已较多地采用 CFD 方法来模拟水轮机尾水管、蜗壳和叶轮内部的流动、泵站进出 水流道的流场， 进行水力机械的性能预测和优化设计， 已被大量工程实践证明是有效和可靠 [4][5][6] 的 。阀门行业中，CFD 数值模拟计算也已经开始在电站调节阀的设计及优化中应用 [7][8][9] 。 但目前,国内阀门行业科研开发能力仍较弱,基本停留在经验设计的方法上， 只能参照国 外的一些设计资料和样品进行消化吸收,真正的新产品开发工作很少。原因在于设计方面缺 乏新理论的指导和高新科技手段的介入； 也缺乏对高性能参数、 高温参数的动态模拟试验手 段和测试设备；基础科研的投入也较少。 我校与国内阀门生产大型企业-吴忠仪表厂-从 2003 年开始合作， 目标是将 CFD 技术 全面引入阀门设计研发过程。 该项合作研究也获得上海市科委西部开发基金资助。 作为前期 工作，我们已完成了大口径偏心蝶阀的水动、气动特性数值模拟，得出了不同口径偏心蝶阀 在各种压比、开度下的流量、扭矩特性曲线，以及分离特性分析[12]，研究成果已提供厂方 用于产品设计。 本论文的工作是研究调节阀流动特性的数值模拟方法， 是整个阀门研究计划 的第二阶段内容。吴忠仪表厂提供阀门特性的实验测试数据，与数值模拟结果进行比较。
§1.2 调节阀的现状和发展
调节阀[14]的产品历史可以追溯到最早的自力式调节阀，其最原始的结构是一种带重锤 的球形阀， 利用重锤平衡阀芯所受到的流体作用来进行调节。 这种调节阀后来演变成利用阀 后压力进行调节的自力式调节阀。 在 30 年代，产品的类型已经很多，阀体形状为球形阀为代表性产品。40 年代之后， 角形阀、蝶阀、隔膜阀和球阀相继出现，先后在市场上占据主导地位，各种产品已经比较齐 全。 60 年代后出现的套筒阀很快受到重视并成为球形阀的主流产品。 70 年代出现的新产品 是凸轮绕曲阀，它容量大，流路简单，不平衡力小。80 年代开始，人们又先后制造了各种
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轻型（或称为精小型）调节阀，它使调节阀小型化、高容量化。进入 90 年代，由于智能式 阀门的出现，为调节阀的发展翻开新的一页。 改革开放后，随着我国经济建设的蓬勃发展，阀门行业也欣欣向荣。现在全国有几千 家大小阀门厂，尽管良莠不齐，但产品品种已达 3000 多个型号，近 30000 个规格。在密 封性能、强度要求、调节功能、动作性能和流通性能， 特别是密封性能，都有了长足的进步。 少数厂家的部分产品已接近和达到国际先进水平，取代了进口产品，或出口国外。但由于我 国机械制造业整体水平不高， 阀门科技水平和国际先进水平还存在较大的差距。 国内现有阀 门专业研究所 2 个，厂办研究所 12 个，部级检测中心一个、 分中心两个，从事阀门研究 及产品开发的科研人员约 6000 人。随着科研体制的深化改革，市场竞争的激烈化，各生产 厂家逐步加大了科研和开发的力度，阀门的科技开发具有很大的发展前景。 调节阀的发展趋势将会向利用计算机进行设计和计算以及智能化等方面发展。计算机 辅助设计（CAD）适用于生产厂家对产品的设计。计算流体力学（CFD）用于模拟阀门流 场，也将为阀门辅助设计带来简便快捷的新途径。国内已有这方面的应用，例如，浙江大学 土木系水利实验室[7][8]对工程中常用的 WCB 型阀门进行了数值模拟及阻力特性研究， 达到 [7][9] 阀门流道型体优化的目的。中科院工程热物理研究所 也作了这方面的工作，他们对大 型汽轮机高压联合进汽阀三维粘性流场进行了实验和数值分析， 得出阀门的流量分配关系和 [8][12] 所作的蝶阀和电站调节阀数值研究工作，对工程设计和应用 损失状况。上海理工大学 也起到指导性作用。另外，武汉大学[13]也做过这方面工作。由此可见，CFD 数值模拟计算 在阀门设计中的指导作用越来越显现出来，其应用也将会越来越广。 但目前，阀门流场数值模拟计算基本上还限于静态(稳态)特性的研究，而阀门关闭和 开启过程中出现的诸如水击，阀芯所受液动力变化等情况，必须通过动态(非稳态)模拟才能 获得。这些动态特性对阀门工作影响很大，是设计时必须考虑的因素，但数值模拟的难度和 计算工作量均比稳态特性大得多， 至今还未见报导过数值模拟取得的研究结果。 本文将尝试 进行这一工作。
§1.3 计算流体力学和软件的简单介绍
计算流体力学（CFD）是多领域交叉学科，涉及到计算机科学、流体力学、偏微分方程 的数学理论、计算几何、数值分析等学科[15][16]。这些学科的交叉融合，相互促进和支持， 推动着这些学科的深入发展。 现代流体力学中新兴的学科分支——计算流体力学在近 20－30 年中的发展非常迅速。 二十世纪初， 许多著名的流体力学家发现了流体力学基本物理规律， 找到了恰当的分析方法 并求得了一系列解析解（大多限于线性问题） ，从而推动了工业的发展以及流体力学自身的 发展。流体力学涉及的物理现象是多方面的：如激波、湍流、旋涡、非定常运动等。他们研 究了这些现象， 建立了相应的主控方程和边界条件， 将问题转化为如何结合工程实际来求解 这些方程组， 从而奠定了流体力学的理论基础。 但工程实际中绝大多数流体力学问题是非线 性的力学问题， 求得其精确解或解析解是很困难的。 已经找到的基本方法和各类解析解都是 在各种简化、假设条件下得到的，无法描述大量存在的各类复杂的流动现象。30 年代后期 出现了第一代电子数字计算机， 随着高速电子计算机的迅速发展， 人们试图用数值计算方法 直接求解各类主控方程和边界条件来解决具有强烈非线性特征的大量流动现象， 工业界也要 求采用数据模拟手段来解决各类设计和计算问题， 从而形成并发展了计算流体力学这一科学 分支，并随着计算机的发展而不断的发展。 流体力学的研究方法包括理论分析、实验研究和数值模拟。随着现代科学与生产技术 的发展， 数值模拟在流体力学中的重要作用日益显现。 数值模拟方法的特点是可以给出流体 运动区域内的离散解， 从一次数值解中无法看出来流参数变化引起的变化趋势， 这是其与理
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论分析方法的一个重要区别； 但是它可以给出流场内细节的定量描述， 并且比地面实验花费 少很多，若数值模拟方法的数学提法（包括主控方程和边界条件）是正确的，则可在较广泛 的流动参数范围内较快地给出流场的定量结果， 而不受实验中固有的约束条件 （如尺度效应、 支架干扰等）的影响，这是其与实验的重要差异。数值模拟有耗资少，时间短，便于优化设 计，易于控制等许多优点，对许多物理过程的研究有着十分重要的作用。 但是现阶段数据模拟也有着很大的局限性，面临不少问题。首先，要进行数据模拟， 要有准确的数学模型，这不是所有问题都能做到的。对于不少问题，在其机理尚未完全搞清 楚之前，数学模型很难准确化。其次，在数值模拟中，要对数学方程进行离散化处理，需要 对计算中的稳定性、收敛性等进行分析，现有的一些分析方法大部分只对线性方程有效，对 非线性方程只有定性的指导，没有完整的理论。再次，数值模拟还受到计算机本身的条件限 制。科学发展到今天，许多自然现象的数学模型已建立，要完全对其数值模拟还受到计算方 法和计算机速度和容量的限制。湍流的数值模拟就是这方面的一个典型例子，要直接用 Navier-Stokes 方程模拟湍流运动，按现有的计算方法对于雷诺数大于 105 的流动，用具 有每秒 10 亿次运算能力的机器将花上约 3 年，这个工作量对于一般的机器是不现实的，即 使对于超高级计算机也只能处理一些低雷诺数、 边界问题简单的流动。 所以对湍流的模拟在 较长一个时期内仍需借助近似的湍流模型。 当然，数据模拟诸多的优点和远大的前景吸引着世界各国的专家致力于对它的研究， 并把它应用到实际生产当中。到目前为止，数值模拟在计算流体力学中已有了很快的发展， 国际上已出现的好些流体力学软件，例如 PHOENICS 、 CFX、 FLUENT 、 STAR—CD 、 NUMECA、FLOW—3D 等[17]。 本课题采用的是计算流体力学通用软件 FLUENT 进行阀门流场分析计算。FLUENT 的 软件设计是基于“CFD 计算机软件群的概念”，针对每一种流动的物理问题特点，采用适合 于它的数值解法在计算速度、 稳定性和精度等各方面达到最佳。 将不同领域的计算软件组合 起来，成为 CFD 软件群。从而高效率地解决各个领域复杂流动的计算问题。这些不同软件 可以计算流场、传热和化学反应。在各软件之间可以方便地进行数值交换。各种软件采用统 一的前后端处理工具，这就省却了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重 复、低效的劳动，而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。例如，人们曾对于 Navier-Stokes 方程的求解耗费了大量的时间和精力，而这种耗费又由于各人编程风格及 其他各种原因无法重复利用。 每人要研究这类问题时， 都要从头开始将这个算法再实现一遍， 而对于各类条件和参数变化对最终流态的影响， 无法作进一步的研究。 本文在计算时采用了 FLUENT 软件，避开了对 Navier-Stokes 方程求解实现的这一步，从而能够把主要精力放 在对控制参数以及初始边界条件对最终流态影响的研究上。 作为一个通用 CFD 软件，FLUENT 在一般工程技术中的应用价值无庸置疑，在基础研 究中的价值也日益显现。
§1.4 本课题的研究意义和研究方法
传统的阀门设计方法主要依据建立在一元流理论基础上的半经验公式与工程设计手册、 图表， 其中的各种经验常数、 修正系数是通过大量试验获取的。 传统方法的优点是简便可靠， 缺点是适用范围受资料来源的限制。阀门类产品种类繁多，改型也较容易，随着工程技术的 迅速发展，新的品种、新的设计在不断推出。然而，用传统方法建立一套作为设计依据的参 考资料需要大量试验数据，投入高、周期长，即便国内大型生产企业也难做到。因此，大多 数情况下， 在设计新产品时， 设计人员只能参照以往几种常规品种的资料， 凭经验进行推测。 这给设计工作带来很大困难，限制了产品质量的提高。 计算流体力学(CFD)方法以其强大的数值模拟功能为解决这一问题提供了新途径。通
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过数值模拟不但能取得产品设计所需的流动特性参数，而且还可以掌握流场内部的详细情 况，如压力、速度和温度分布、流动分离状态、气蚀可能发生的部位以及动态过程中各参数 的变化，有效的指导了阀门的设计。 本文运用计算流体力学(CFD)方法对阀门通道内的流动情况进行数值模拟计算，主要 步骤为： （1）利用 Pro/E 进行几何建模，画出调节阀通道的流场部分，并生成*.stp 文件； （2）将模型导入 CFD 软件 Fluent 中的 Gambit 前处理器中，采用非结构化网格对算 例进行离散处理，并生成*.mesh 文件； （3）使用 FLUENT 软件中隐式的 Segregated 法对算例进行三维稳态及非稳态计算， 壁面附近的流动采用标准壁面函数进行模拟，压力—速度耦合采用 SIMPLE 算法； （4）使用 Tecplot 图像处理软件对计算结果进行处理，画出特性曲线； （5）根据计算结果和特性曲线图分析调节阀三维流场的流量特性、分离流动以及启闭 动态过程中参数的变化。
本课题主要有两大研究任务：
（1） 计算不同开度下调节阀内部速度场、压力场以及流量，与实验结果作比较；分析 该调节阀的流量特性，并进行分析； （2） 计算调节阀开启和关闭的动态过程，分析流量以及阀芯轴向力的变化。 通过数值模拟计算得到阀门的特性曲线以及阀门通道内三维流动的详细情况，显示了 CFD 这一高新科技手段用于阀门设计的可行性。CFD 的优势尤其表现在新产品的研制开发 中， 它不但能大幅度取代常规实验提供各种流动特性参数， 而且能通过揭示流场三维分布形 态为优化设计提供详细依据。此外，对于常规实验无法处理的复杂现象，如空化、水击等， 也可以用 CFD 方法进行模拟。 CFD 方法的应用必将大大提高阀门设计的技术含量与产品质 量。
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第二章 调节阀的基本特性 的基本特性
调节阀又称控制阀[19]， 它是按照控制信号的方向和大小， 通过改变阀芯行程来改变阀 的阻力系数，达到调节流量的目的。 流量调节阀[20]与不是全开就是全闭的断流阀不同， 它可能有无数个工作位置。 调节阀 的节流作用与断流阀的断流作用在要求上是完全不同的。虽然调节阀可能有附加的断流要 求，但因为在许多调节阀结构中控制是主要目的，而断流作用是次要的，所以调节阀并没有 良好的断流特性。因此，一般的作法是在一个系统中既装上断流阀，也装上调节阀，保留各 自不同的作用。
§2.1 调节阀的主要类型[14]
根据不同的使用要求，调节阀有：直通双座调节阀、直通单座调节阀、低温调节阀、 三通调节阀、小流量调节阀、套筒调节阀、波纹管密封调节阀、角形调节阀、高压调节阀、 隔膜调节阀、偏心调节阀、阀体分离调节阀和蝶阀等。下面以直通单座调节阀为例，介绍调 节阀的基本结构。
图 2-1 表示一个常用的直通单座阀。它是由上阀盖、下阀盖、阀体、阀座、阀芯、 阀杆、填料和压板等零件组成的。阀芯和阀杆连接在一起，连接方法可用紧配合销钉固定或 螺纹连接销钉固定。上、下阀盖都装有衬套，为阀芯移动起导向作用；由于上、下都有导向 作用，所以称为双导向。阀盖的斜孔连通它的内腔和阀后内腔，当阀芯移动时，阀盖内腔电 解质很容易通过斜孔流入阀后，不会影响阀芯的移动。 这种阀门的阀体内只有一个阀芯和一个阀座，特点是泄漏量小，易于保证关闭，甚 至完全切断，因此，结构上有调节型和切断型，它们的区别在于阀芯形状不同，前者为柱塞 型， 后者为平板型。 它的另一个特点是介质对阀芯推力大， 即不平衡力大， 特别是在高压差、 大口径时更为严重， 所以仅适用于低压差场合， 否则应该适当选用推力大的执行机构或配以 阀门定位器。 阀有正装和反装两种类型，当阀芯向下移动时，阀芯与阀座之间流通面积减小，称 为正装；反之，称为反装。调节阀的公称直径 DN 和阀座直径 dN 标志着阀门规格的大小。
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§2.2 调节阀的流量特性[20]
在选用流量调节阀时，最重要的标准之一是它的流量特性。调节阀的流量特性取决于 它固有的流量特性。 固有的流量特性表示为在恒温和阀门两边压力降不变的情况下， 通过阀 门的流量与控制元件位置（阀杆行程）的函数关系，即
式中： ——相对流量，即调节阀某一开度下的流量与全开流量之比； ——相对开度，即调节阀某一开度下的行程与全开时行程之比。 通常的流量特性有线性的、改进线性的、等百分比的以及平方根（快速开启）的。 这些特性曲线的比较见图 2-2 。
图 2-2 调节阀流量特性的比较
（1）线性流量特性 线性流量特性阀门的流量与阀门位置成线性变化。对于线性控制阀来说，表示流量与 阀门开启度间函数关系的一般方程是：
Q=ay
式中： Q —— 流量； y —— 阀门开启度； a —— 任意常数。
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流量与阀门开启度成线性特性的图形，在直角坐标系上是一条直线。 （2）抛物线流量特性 抛物线流量特性是流量与控制元件位移的平方成正比。 对于抛物线特性的控制阀来说 表示流量与阀门开启度函数关系的一般方程是：
Q=ay
式中：
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Q —— 流量； y —— 阀门开启度； a —— 任意常数。 抛物线流量特性中流量变化率与阀门开启度的比值为常数。当画在对数—对数坐标 纸上时，抛物线特性为一直线。 抛曲线流量特性的一般数学表达式是 ，式中 n 是任意实数。 （3）改进的线性特性 有一种将抛物线特性与线性特性相结合的流量控制特性叫做改进的线性特性。这种改 进的线性特性在阀门开启度的前 30%范围内是一条抛物形的特性曲线，但在这以后，直到 接近于流量的 80%或 90%的范围内均是线性特性。从这里开始，直到全开位置，改进的 线性特性类似于平方根特性。 （4）等百分比流量特性 等百分比流量特性也叫做指数或对数特性，是当行程（开启度）变化一个单位量时， 流量变化的百分比相同的一种特性。这种形式的控制特性是在开启度由 10%变至 20%时 流量的变化为 10%，而开启度由 60%变到 70%时流量的变化同样是 10%。对于等百分 比控制阀来说，表示流量与阀门开启度间函数关系的一般方程是：
Q=aeby
式中： Q —— 流量； y —— 阀门开启度； a 、b —— 任意常数； e —— 自然对数的底数。 表示等百分比特性的流量与阀门开启度的关系的图形，当流量作为对数纵坐标划在 半对数坐标纸上是一条直线，而画在直角坐标纸上是一条指数曲线。 （5）平方根（快速开启）流量特性
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平方根流量特性是流量与控制元件位移的平方根成正比的一种特性， 表示流量与阀门 开启度间因数关系的一般方程是
Q=ay1/2 式中： Q —— 流量； y —— 阀门开启度， a —— 任意常数。
这种类型的特性通常叫做快速开启特性。
§2.3 调节阀执行机构的选择[14]
为了使调节阀能正常工作，配用的执行机构要能产生足够的输出力来克服各种阻力， 保证高度的密封或阀门的开启。 对于所用的气动、电液、电动执行机构，一般都没有复位弹簧。作用力的大小与它的运 动方向无关，因此，选择执行机构的关键在于弄清最大的输出力或电机大转动力矩。 对于单作用气动执行机构，输出力与阀门开度有关，调节阀上出现的力也将影响运动 特性，因此，要求在整个调节阀的开度范围建立力平衡。如果执行机构的输出力为 F，它的 力平衡方程式为：
F = Ft + Fo + Ff + Fw
式中： Ft —— 作用在阀芯上的不平衡力； F0 —— 阀全闭时阀芯对阀座的密封所附加的压紧力； Ff —— 阀杆所受的摩擦力； Fw —— 阀芯等各种活动部件的重量。 其中主要是指作用在阀芯上的不平衡力和不平衡力矩。 （1）不平衡力和不平衡力矩 流体通过调节阀时，阀芯受到静压和动压的作用，产生使阀芯上下移动的轴向力和阀 芯旋转的切向力。 对于直线位移的调节阀来说， 轴向力直接影响阀芯位移与执行机构信号力 的关系，因此，阀芯所受到的轴向合力称为不平衡力。对于角位移的调节阀，如蝶阀、 球阀、 偏旋阀等，影响其角位移的是阀板轴受到的切向合力矩，称之为不平衡力矩。 影响不平衡力和不平衡力矩的因素很多，例如，阀的结构类型、口径、流体物理状态 等。如果工艺介质及调节阀都已确定，不平衡力和不平衡力矩主要与阀前后的压差有关，也 与流体与阀芯的相对流向有关。 流体流向不同时，阀芯所受的不平衡力并不一样，图 2-3 表示较大口径的单座阀正 装阀芯在两种不同流向下， 压差不变时不平衡力与位移行程之间的关系曲线。 图中假定使阀 杆受压的不平衡力为“＋”，使阀杆受拉伸的不平衡力为“－”。图中上面一种在流体流动时候 使阀芯打开，称为流开状态。下面一种在流体流动时使阀芯关闭，称为流闭状态。
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图 2-3 的曲线表明：阀芯在全关位置时的不平衡 F t 最大， 随着阀芯开启而逐渐变小。 （2）调节阀的允许压差 调节阀两端的压差增大时，其不平衡力或不平衡力矩也随之增大。当执行机构的输出 力小于不平衡力时， 它就不能在全行程范围内实现输入信号和阀芯位移的准确关系。 由于对 确定的执行机构，其最大输出力时固定的，故调节阀应限制在一定的压差范围内工作。
§2.4 水击现象[21]
水击现象：在有压管道系统中，由于某一管路中的部件工作状态的突然改变，就会引 起管内液体流速的急剧变化，同时引起液体压强大幅度波动，这种现象称为水击现象。 阀门急速开启和关闭会引起水击现象。因阀门急速关闭引起水击而产生的水压，随阀 门关闭速度而有所不同， 但其数值高于平时水压的几倍到几十倍， 这样高的压力可使管段破 裂或使弯曲管段脱出，对给水设施有很大的危害。
§2.5 调节阀内的汽蚀和闪蒸
在很多有水力机械的地方，经常可以看到调节阀、减压阀等节流阀的阀瓣和阀座等零 件内部产生磨痕、深沟及凹坑，这些大多是由汽蚀和闪蒸 引起的。闪蒸是一种非常快速 的转变过程， 当流动液体的下游压力低于它的饱和压力时就会出现闪蒸。 而当阀门中液体的 下游压力又升回来 , 且高于饱和压力时，就会产生气蚀现象。在气蚀过程中饱和气泡不再 存在, 而是迅速爆破变回液态。 就调节阀而言，不论是气蚀还是闪蒸都会造成以下几方面的损害 ： （1）材质的损坏：气泡破裂会产生极大的冲击力，足以严重地冲击损伤阀座、阀芯、 阀体，尤其在高压差的情况下，就连极硬的阀芯、阀座也只能使用很短的时间。 （2）振动：汽蚀和闪蒸还带来阀芯的振动，这种振动包括垂直振动和水平振动，它 们分别来自流体对阀芯的垂直撞击与水平撞击， 其结果造成机械磨损和破坏， 调节阀控制不 可靠，阀杆折断。 （3）噪声：噪声一般来自三个方面：阀芯振动造成的噪声；汽蚀造成的噪声；高速 气体造成的气体动力噪声。
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[23] [22]
第三章
§3.1 流体力学的基本方程
计算流体力学基础
流体运动的规律滿足三大守恒定律，即质量守恒定律，动量守恒定律和能量守恒定律
[24]
。
（一）连续方程
（3-1） 式中：ρ－流体密度；u－流体速度分量 （二）动量方程（x 方向）
对于不可压流体（即
）
（3-2） 式中：γ－运动粘性系数；p－压力 对于可压缩流体
（3-3） 式中：等号后前两项是粘性力；y，z 方向上的动量方程可类似推出。 （三）能量方程
（3-4）
其中 式中等号左边第一项是瞬变项，第二项是对流项，等号右边第一项是扩散项，第二、 三项是源项。所以，流体力学基本方程组为：
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（3-5）
§3.2 紊流模式理论概况
§3.2.1 基本方程 在自然界中，真实的流体都具有粘性。粘性流体存在两种不同的运动方式和流态，即 层流和紊流。而在自然界和工农业生产中所遇见的流体流动大部分都是紊流。 复杂的流场（例如有回流、分离流）一般都是三维粘性紊流，一个多世纪以来，人们 从紊流的实验研究与理论研究中认识到描述紊流运动的主要困难是质点运动参数在时间和 空间上的随机性，描述其流动的数学模型是非线性偏微分方程，数字方法求解很困难；加之 流动边界极不规则，更增加了数值求解的难度。从 60 年代起，一直在进行水轮机流道、泵 进出口流道等的数值计算研究，为了能够求解，对流动作一定的假设来简化，归结起来有： 定常流动—认为流道内的水流运动是定常的； 无粘运动—忽略水流的粘性， 并辅之于其它的 假设，将流动简化为二维无粘、准三维无粘、三维无粘，这些简化的计算模型，虽然计算得 以大大的简化，但假设与实际流动均有不同程度的差距；到 80 年代，随着计算机运算能力 的提高与计算方法的发展，开始了粘性流动计算的研究。 粘性流动计算的方法可分为：1 是边界层方法——利用微积分或积分法求解三维边界 层方程；2 是抛物化法——假设流动存在一个明显的主流方向（在此方向上无回流），沿主 流方向的动量、质量等的扩散与对流相比可以忽略不计，下游的压力场对上游流动无影响； 3 是 Navier-Stokes 方程（简称 N-S 方程）解法求解三维的 N-S 方程。 三维的 N-S 方程是目前描述粘性流体运动较为理想的模型，其优点一是应用范围广， 在空气、水流、传热等方面均用 N-S 方程描述；二是对于有分离、旋涡等情况的复杂三维 流动更为适用。 三维直角坐标下的 N-S 方程[17] [25]，即不可压缩粘性流体的动量方程式为：
（3-6）
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不可压缩流体的连续性方程为：
（3-7） 式（3-6）和（3-7）共有四个未知数（u、v、w、p）和四个方程，加上边界条件，从理 论上来讲其解是存在的。 但是， 要直接求解复杂而详细的粘性流体运动是十分复杂和困难的。 N-S 方程的数值解法有原始变量法、涡量-流函数法（简称 ω-φ 法）和流函数法。求 解 Re 数较低的粘性流包括心血管流动[25]、机械润滑系统中的油膜流动[26]的数值解已取得 了不少进展，从 60 年代起用有限差分法[27]解边界层流动也已获得了不少成果，但对求解 复杂几何形状与边界条件遇到了困难。用有限元法求解粘性流动，目前还限于求解 Re 数较 低的流动。而用有限体积法求解 N-S 方程的 SIMPLE 法，在近几年来已得到广泛应用，并 较成功地用于紊流模型的计算[10]~[12][28]~[30]。
§3.2.2 三维 N-S 方程模型的计算方法
N-S 方程模型的流动计算可分为三种方法[31]： 1.直接模拟法（Direct Numerical Simulation，DNS） 除稀薄气体等极端条件外，紊流的最小长度尺度远远大于分子运动的长度尺度，故紊 流可以作为连续体运动处理。 从原理上讲，可以用三维非定常的 N-S 方程对紊流进行直接计算。这种直接计算不需 要紊流模型化，可像层流那样进行数值计算。但是，现实的高雷诺数紊流中，由于其最小尺 度很小， 若要对最小尺度的紊流进行直接计算， 就需要很多的计算时间和庞大的计算机容量。 这远远超过现有的计算机能力。 当前直接计算法只能用于对低雷诺数紊流进行直接计算， 并 且用新型巨型向量计算机可取数十万个网格点， 但也只能捕捉到较大的紊流涡， 网格的网目 捕捉不到小涡，从而得到的仅是关于大涡结构的大体结果。 将来，即使可能进行精确的直接计算，但为了获得有意义的信息，也必须对大量的计 算结果进行统计处理。 2.大涡模拟法（Large Eddy Simulation，LES） 依照紊流的旋涡理论，紊流的脉动与混合主要是有大尺度的涡造成的。大涡从主流中 获取能量，分裂后将能量传到较小的涡。大涡的运动为各向异性，随流动情况而不同。小涡 主要是耗散能量，几乎各向同性，并且不同流动情况的小涡有许多共性。从而得出大尺度涡 模拟的数值方法。即用非定常的（三维且时间相关的）N-S 方程确定大涡的特性，不计算 小涡。 而小涡的效果有近似的模型来处理， 即用大涡模拟还可以对那些被直接计算忽略掉的， 比如计算网格小的涡，经模型化，进行数值模拟。该方法需要相当大的计算机内存和计算时 间。 用大涡模拟对 N-S 方程实行网格内空间平均，其结果将相当于时间平均雷诺应力的网 格雷诺应力作为未知数表示。将该项模型化，称为网格平均模型。 可将网格的大小取为小于某种程度，纳入网格内的涡若相似，则该网格捕捉不到的紊 流变动，可用梯度扩散型的紊流粘性普遍性地模型化。该梯度扩散型的模型称为 Smagorinsky 模型。几乎所有的大涡模拟计算都用它。但是，在现阶段，网格数取得还不 充分， 系数值不同， 导致计算结果有所差异， 所以目前是按不同的流动情况一边调节系数值， 一边进行计算。 3.雷诺（Reynolds）时均方程法
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将非定常的 N-S 方程作时间平均处理。在所得出的时均方程中包含了脉动量乘积的时 均值未知数， 于是方程个数少于未知数个数， 如作进一步的时均处理将出现更高阶的脉动量 乘积的时均值未知数，方程不可能封闭；要是方程封闭，须作一定的假设。这是工程上普遍 采用的方法，因为工程中感兴趣的是时均量。 在三维 N-S 方程计算模型中，雷诺时均方程法是较常使用的一种方法。该方程是在将 紊流看成时均运动和脉动运动的基础上建立的。 紊流运动的任何变参量都分解为时间平均值 和脉动值，例如： ， 等。
不可压缩粘性流体的三维 N-S 方程组作时均处理后的时均方程为： 连续性方程：
， 动量方程（雷诺方程）：
（3-8）
（3-9） 式中： 为二阶相关项，又称为雷诺应力，p 为压力值，u 为速度，x 为坐标轴，
i=1，2，3，j=1，2，3，分别表示 x，y，z 三个空间坐标，脚标在某一项中相同时，表 示求和。变量上方有“-”者为时均值，变量上标有“＇”者为脉动量。 显然方程（3-8）、（3-9）包含有十个未知量，而方程只有四个，方程不封闭，只是 因为对 N-S 方程取平均，使得脉动时空的细节抹平，失去了反映流动内部的细节信息，导 致了方程的不封闭。 为了找回平均过程中失去的紊流流动的细节信息， 科学工作者建立和引 入了多种紊流模式来弥补失去的信息和封闭时均 N-S 方程，从而能反映紊流特性和封闭雷 诺方程的模式称为紊流模型（Turbulence Model）。
§3.2.3 紊流模型
时均 N-S 方程中的二阶相关项，即雷诺应力项 是未知量，它有自己的表示式
称为紊流模型。紊流模型的表示式与时均 N-S 方程形成封闭的方程组。 常用的紊流模型都是建立在涡粘性概念的基础上的，雷诺应力与涡粘性的关系为：
（3-10） 式中：μt 为涡粘性系数。各种紊流模型都是表示紊流涡粘性系数 μt 的方程式。 目前已有许多的工程紊流模式，并且还在不断的发展之中，这里仅简单介绍目前工程 上广泛应用的零方程紊流模型、一方程紊流模型、二方程紊流模型、雷诺应力方程模型、代 数应力紊流模型等理论及进展[30][32]。 1.零方程模型 就是在运动方程和连续方程以外，不需要另外再加任何方程式来使方程组封闭。即雷 诺应力能直接用某些物理量和物理常数表达出来， 所以只要把雷诺应力直接代入运动方程中 去， 而不必另外再加上其它的补充方程式了。 零方程模型中有紊流粘性模型、 混合长度模型、 涡量传递模型及紊动局部相似模型等。如直接用时均速度模拟二阶相关项，也称为 Prandtl
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混合长度模型。虽然该模型简单，有一些成功的应用，但存在以下缺点：忽略了紊流的对流 和扩散输送，对不同的流动要采用不同的经验系数，缺少通用性。它不适合有回流的较复杂 流动，也无法处理表面曲率的影响。 2.一方程模型 为克服零方程模型的缺陷，在紊流平均运动的连续性方程和动量方程基础上，添加一 个湍动能（k）方程以力图组成封闭方程组，而其它二阶脉动相关量均由代数方程表示。由 于一方程模型中引入的修正函数是与流场和长度尺寸有关的函数， 部分考虑了紊流的历史效 应， 既考虑了湍动能的对流项和扩散项对湍流输送过程的影响， 但长度尺寸必须由经验给出， 对于复杂问题其值很难确定。普遍性不高，对于复杂流动精度也不高。 3.二方程 k-ε 模型 它是二方程模型中应用最广的一种。它以一方程模型为基础，再增加一个 ε（耗散率） 为因变量的控制方程，来使方程组封闭，即用偏微分方程求解紊流的特征长度。标准的 k-ε 模型认为紊动粘性系数是各向同性的， 它不仅考虑到紊动速度比尺的输送， 而且考虑到紊动 长度比尺的输送，因而能确定各种复杂水流的长度比尺分布。该模型基本形式比较简单，实 际应用性广，能成功的预测许多剪切层型水流和回流，适用于各向同性或弱各向异性紊流。 但是，k-ε 模型也存在一些缺陷，例如，模型中的经验常数通用性尚不十分令人满意，对强 旋流、浮力流、重力分层流、曲壁边界层、低 Re 数流动、圆管射流几种流动不适用。 4.k-ε 紊流模型的修正 对 k-ε 紊流模型的修正主要有浮力修正法、近壁函数法、低雷诺数模型、区域模型、 双流体模型、各向异性及多尺度等方法。 在浮力修正中主要是在 k、 ε 方程中加入浮力项和 Richardson 通量数来研究浮力问题。 在近壁区流体流动中具有较大的梯度、雷诺数低，各向异性较为突出，粘性底层的分 子粘性必将影响到粘性底层以外的紊流区域。 如果用高雷诺数模型应用这一区域， 需要非常 密集和大量的网格布置，因而要花大量的时间和内存，在实际中也是不现实的。对于近壁区 的修正，一般采用壁面函数和低雷诺数方程的方法。采用壁面函数法时，紊流流动中采用高 雷诺数 k-ε 模型。而在粘性底层内不布置任何节点，把第一个与壁面相邻的节点布置在旺 盛紊流区域内。这种方法能节省内存和时间，在工程紊流计算中应用较广。但是，壁面函数 是不精确的， 尤其当存在很大的压力梯度时； 其次， 当出现分离流时， 壁面函数不容易确定。 两种改进的壁函数关系已被提出，在一定程度上使计算结果得以改善。 低雷诺数模型考虑近壁区分子粘性对紊流的作用，在充分发展的紊流区用高雷诺数模 型：在低雷诺数区，将高雷诺数模型修正，使之可应用到低雷诺数区。最简单的低雷诺数模 型是由 Van Driest（1956）提出的，随后 Jones 和 Launder[33]将 k-ε 模型扩展到低雷 诺数流动。他们对高雷诺数 k-ε 模型做了三方面的扩充：（1）控制方程中的扩散系数必须 同时包括紊流扩散系数和分子扩散系数；（2）系数 Cμ，C1，C2 必须考虑雷诺数的影响； （3）在 k 方程中应考虑到壁面附近脉动动能的耗散不是各向同性这一因素。低雷诺数模型 的种类很多，虽然现有的各种低雷诺数 k-ε 模型在预测紊流流场特性方面已有很多成功的 实例， 但在确定流动中的紊流脉动能的分布方面却不理想， 并且在计算时间及计算内存方面 所付出的代价也是很大的。 5.雷诺应力方程模型 直接从脉动速度场出发，导出湍流应力式，然后对方程中各项作适当的分析与简化， 使方程组封闭。该模型考虑了紊动粘性系数各向异性效应，对浮力效应、强旋转效应、曲壁 效应和近壁效应的模拟精度较高。但它的 k 方程及 ε 方程的模拟精度并不比标准的 k-ε 模 型高， 且对于工程应用而言过于繁琐， 对三维流动， 仅紊流特性本身就需 11 个偏微分方程， 同时各个应力分量的边界条件事先很难给定。
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6.代数应力模型 代数应力模型一般将应力方程模型的微分方程简化为代数方程，并保留微分方程的基 本性质，即由 k 方程及 ε 方程加上一些代数方程构成。一方面它保留了紊动粘性系数各向 异性的特征，另一方面方程个数比雷诺应力方程模型大为减少，比标准的 k-ε 模型多了一 些代数方程。它对有必要计及体积效应时（浮力、流线弯曲、旋转等）优点突出。 总的来说，二方程模型计算简单，工程比较愿意采用这种模式。对于阀门流道而言， 内部流动紊乱程度相当严重。零方程模型、一方程模型由于模型本身的局限性，误差可能较 大； 雷诺应力模型计算过于繁琐， 对计算机的运算速度和存储量要求高， 边界条件确定困难， 目前对于工程应用选择雷诺应力模型还不现实；选择二方程 k-ε 模型、代数应力模型是比 较可行的。但代数应力模型常用于计算一些弯曲壁面、离心力较大的强旋转流，对于阀门阀 道内的流动，流线弯曲，但弯曲壁面的影响主要体现在弯曲段及其下游的部分区域，对于该 工程问题采用二方程 k-ε 模型较为合理。
§3.2.4 标准 k-ε 模型
由于 Reynolds 应力及紊流的粘性系数都是未知的， 因而 Reynolds 方程是不封闭的， 需要建立与未知量有关联的输运方程进行封闭。目前常采用的是反映紊动能的 k 方程和反 映紊动能耗散的 ε 方程进行封闭。紊流流动是由外部提供有效的能量，在流动的过程中，很 小一部分能量使直接通过平均运动的粘性而损耗， 一部分先转化为紊动能， 最后转化为热能 而耗散。 在紊动耗散中， 紊动能在形式上是先转化为大小不同的涡体而后通过涡体运动和粘 性作用而耗散。紊动能的产生是通过雷诺切应力对时均流场的作用来实现的。 标准的 k-ε 模型中雷诺应力为：
(3-11) 其中涡粘性系数为：
雷诺应力式中引入的新变量 k（湍动动能）、ε（耗散率）用 k-ε 模型来封闭。 k 方程：
(3-12) ε 方程：
(3-13)
其中：
为紊动能，
为紊动能的耗散项，
为涡粘
性系数，
为紊动能生成项； 式中脚标 j 可取值为 1， 2， 3 表示 x，
y，z 三个空间坐标，j 脚标在一项中重复时称求和标，表示三项求和。
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有关模型参数见表 3-1： 表 3-1 标准 k-ε 模型中的有关系数 Cμ 0.09 C1 1.44 C2 1.92 σk 1.0 ε 1.3
雷诺时均方程在引入紊流模型后，k、ε 方程与连续性方程（3-2）、动量方程（3-4） 就构成了完全封闭的不可压缩粘性流体紊流流动的控制方程组。 所以，不可压缩粘性流体紊流流动的控制方程组为[17]：
(3-14)
§3.3 数值离散的方法
工程实际中的流体力学问题，根据不同的具体特点，可以建立起不同的数学模型。这 种数学模型通常是一组给定初始条件与边界条件的微分方程来表示。 求解出这类流体力学数 学方程的分析解，除了为数不多的几个问题外，大多是相当困难的，往往需要求助于数值计 算。 流体力学偏微分方程的数值解，由于所用的离散基本原理不同，计算流体力学采用的 [28][34] 方法 主要有： 1.有限差分法（Finite-different Method，FDM） 以及在此基础上发展的 PIC（Partical-in-cell）法和 MAC（Marker-and-Controller Method） 法等， 还有在 70 年代末， 美籍中国学者陈景仁提出了有限分析法 （Finite Analytic Method，FAM）。 2.有限单元法（Finite-Element Method，FEM） 在此基础上，英国 C.A.Brebbia 等人提出了边界元法和混合元法等。 3.有限体积法（Finite Volume Method，FVM） 此方法目前在计算流体力学和传热学中应用极为普遍。 此外，应用于流动计算的数值方法还有控制体积有限元法（CVFEM）、微分求积法 （Differential Quadrature Method， DQM） 、 格子方法 （Lattice-Boltzmann Method， LBM）等等。常用的数值方法简略介绍如下： 有限差分法（Finite-different Method，FDM） 有限差分法是将求解域划分为差分网格（最简单的为矩形网格），用有限个网格结点 （即离散点）代替连续的求解域，然后将偏微分方程组的导数用差分代替，推导出含有离散 点上有限个未知数的差分方程组。求解差分方程组（即代数方程组）的解，就作为微分方程 定解问题的数值近似解。 它是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法。 有限差分 法发展较早比较成熟，原理简单、数学推演和概念清晰、编程方便，收敛性和稳定性理论比 较成熟，较多的用于求解双曲线型和抛物线型问题。
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有限差分法是从微分算子就结点领域进行泰勒展开，截取前几项所得差分近似公式来 求解， 差分方程计算的数值导数是由差分值除以结点间的距离。 因此有限差分解数值导数的 精度总比解自身精度的阶次低； 用有限差分近似所导出的代数方程组， 其数值解常出现不稳 定现象， 因为用有限差分近似改变了控制方程中的微分或导数。 另外有些差分格式还引起数 值扩散现象。这种数值扩散现象在高 Re 数流动中特别显著，因为在高 Re 数流动中对流项 或低阶导数项在控制方程中处于支配地位。 在规则区域的结构化网格上， 有限差分法是十分 简便而有效的， 而且很容易引入对流项的高阶格式。 其不足的是离散方程的守恒特性难以保 证，而最严重的缺点则是对不规则区域的适应性差。用有限差分法求解边界条件复杂，尤其 是椭圆型问题不如有限元法、有限体积法方便。 有限元法（Finite-Element Method，FEM） 有限元法约始于 50 年代西方的飞机设计，60 年代开始用于流体力学，同时期我国的 冯康提出了一套理论和实际相结合的方法。 它是将一个连续的求解域任意分成适当形状 （三 角形、四边形、四面体、六面体等）的许多微小单元，并于各小单元分别构造差值函数，然 后根据极值原理（变分或加权余量法），将问题的控制微分方程化为控制所有单元的有限元 方程，把总体的极值作为各单元极值之和，即将局部单元总体之和，形成嵌入了指定边界条 件的代数方程组，求解该方程组就得到各结点上待求的函数值。 有限元法的基础是该极值原理和剖分原理，它吸收了有限差分法中离散处理的内核， 又采用了变分计算中选择逼近函数并对区域进行积分的合理方法。 这是两类方法取长补短而 进一步发展的结果。由于有限元法的网格划分灵活，因此它有很广泛的适用性，尤其适合于 几何、物理条件较复杂的问题。 但有限元法编程比较复杂，存储量大，计算量大，只在二维计算中应用较为普遍。另 外在有限元方法中， 控制方程中的导数虽然没有受到损害， 但常采用低阶多项式作为联系小 单元内各结点值的近似解，然后使构成的近似解满足控制方程的变分形式或加权积分形式。 相邻于两个或三个有限元的公共结点上的数值导数常常不连续，甚至不确定，所以对于高 Re 数流动要得到精确而稳定的有限元解也有困难。有限元法适用于求解具有椭圆性质的方 程，但近几年对于三维紊流流场用有限元求解也逐渐多起来了。 有限分析法（Finite Analytic Method，FAM） 有限分析法是在有限元法基础上发展起来的一种数值方法。它是 1977 年，美籍中国 学者陈景仁教授为解决求解对流扩散方程出现数值失真的问题首先提出的。 有限分析法的基本思想是：将求解区域划分成有限个规则的矩形单元；每个单元中的 求解函数，通过微分方程在单元子区域中的分析解来表达；为获得单元中的局部分析解，单 元子区域的边界条件，将采用插值函数逼近；如果方程非线性，则在单元中将非线性项局部 线性化。 这样， 每个单元中心结点的函数值和单元边界结点的函数值可通过单元分析解构成 一个代数方程，称为单元有限分析方程，将所有内点上的单元有限分析方程联立，就构成总 体有限分析方程， 通过代数方程组数值求解， 即可获得求解区域中全部离散点的函数值[7]。 有限分析法具有自动迎风性质， 能准确地模拟对流项。 同时不存在数值扩散， 计算稳定性好， 收敛较快。 有限分析法的思想有可取之处， 它可以克服在高 Re 数下有限差分法的数值解容易发散 或振荡的缺点，但其计算工作量较大，耗费的机时较多，对计算区域几何形状的适应性也较 差，有时求微分方程的局部解析解也会遇到困难，目前应用还不是很普遍。 边界元法（Boundary Element Method，BEM） 边界元法是首先将控制微分方程化为边界积分方程，再用有限元的基本思想与方法步 骤（在求解域的边界上划分有限单元）来处理边界积分方程的方法。其特点是在域内满足微
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分方程，而在边界上近似满足边界条件。该方法于 1978 年由英国的 C.A.Brebbia 正式采 用。后又发展有与区域方法结合的混合元法和有限基本解法。边界元法具有如下特点： （1）对于无限区域问题，无需确定外边界，只需在区域内边界上进行离散和插值，降 低维数，减少计算费用和时间； （2）离散化的误差只产生在边界上，域内的函数值和系数值直接可用解析公式计算， 其精度高； （3）边界元的基本解本身有可导性，可适用于求解奇异性问题； （4）编制程序简便、工作量少。 同时边界元法也存在一些缺陷： 第一，虽然边界元法单元数、未知量个数少、方程组阶次低，但方程组的系数矩阵不 对称并为满阵，有时是近似的奇异阵，求解这类方程组的方法受到限制； 第二，边界元法采用解析函数的基本解，比较适用于线性问题以及基本解已知（如源、 汇、偶极子、涡）的问题。对于非线性问题可采用迭代计算方法计算非线性项。对于复杂的 紊流问题是难以寻求积分方程的。边界元法对于非线性问题、半无限域问题，特别是区域的 角点等处理都在研究之中。 有限体积法（Finite Volume Method，FVM） 有限体积法又称为控制体积法，在 Fluent 中就是采用这种方法。其基本思路是：将计 算区域划分为一系列不重复的控制体积， 并使每个网格点周围有一个控制体积， 将待解的微 分方程对每个控制体积积分，得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量 Φ 的 数值。为了求出控制体积的积分，必须假定 Φ 值在网格点之间的变化规律，即假定 Φ 值的 分段的分布剖面。从积分区域的选取方法来看，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法； 从未知解的近似方法来看，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。简而言之，子区域法 加离散，就是有限体积法的基本方法。 有限体积法的基本思想易于理解，并能得出直接的物理解释。有限体积法实际上是流 体力学中用微元体概念推导微分方程的逆过程， 网格就相当于放大的微元体。 离散方程的物 理意义，就是因变量 Φ 在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在 无限小的控制体积中守恒原理一样。 有限体积法得出的离散方程， 要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足， 对整个计算区域， 自然也得到满足， 因此用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒性， 对区域形状的适应性也比有限差分法好，这是有限体积法吸引人的优点。有一些离散方法， 例如有限差分法，仅当网格及其细密时，离散方程才满足积分守恒；而有限体积法即使在粗 网格情况下，也显示出准确的积分守恒。 就离散方法而言，有限体积法可视为有限单元法和有限差分法的中间物。有限单元法 必须假定 Φ 值在网格点之间的变化规律（即插值函数），并视其为近似解。有限差分法只 考虑网格点上 Φ 的数值而不考虑 Φ 值在网格点之间如何变化。 有限体积法只寻求 Φ 的结点 值，这与有限差分法相类似；但有限体积法在寻求控制体积的积分时，必须假定 Φ 值在网 格点之间的分布，这又与有限单元法相类似。在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体 积的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值函数；如果需要的话，我们可以对微分方程中 不同的项采用不同的插值函数。 随着计算机工业日新月异的发展，在过去的十余年中数值计算方法及其在计算流体力 学、计算水力学中的应用也得到了飞速的进步，新的数值处理方法不断地问世，原有的方法 则得到进一步的充实和完善。 经过许多学者的理论研究和实际计算表明， 在应用于流动问题 数值计算的众多方法中，有限体积法由于其概念简明、实施过程简便、数值特性优良，即最 大限度地保持了差分法的简单性，又兼有有限元法的精确性，具有积分守恒性、易于处理边
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界控制体的特点， 因而目前在二维和三维紊流数值计算中有限体积法得到了广泛而成功的应 用。
§3.4 流场的计算
§3.4.1 传统方法 对不可压流体：
（3-15） 由连续方程和动量方程可看出，给定一个 p 的分布，可以由三个动量方程解出 u、v、 w；但 u、v、w 必须满足连续方程，而连续方程不涉及到压力 p，因而计算速度场真正的 困难在于不知道压力场。 传统方法是采用流函数—涡量法。 对二维问题，将两个动量方程交叉求导后，消去压力梯度项，并引入涡函数：
（3-16） 并根据连续方程引入流函数：
（3-17） 把二维方程组转化为：
（3-18） 只要解两个方程，求出 Ψ 和 ?。 这个方法的缺点是： （1）壁面上漩涡值较难确定； （2）流函数不能推广到三维。 §3.4.2 SIMPLE 方法 SIMPLE 算法，就是求解压力耦合方程的半隐方法[17]（Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations）。它是 Patankar 与 Spalding 在 1972 年提出的。本文将 应用 SIMPLE 方法进行压力-速度的耦合，求解不可压流体力学方程组。 （一）离散中的两个问题 a.压力梯度项的离散
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对 P 控制体积分后，的贡献为，如 w 和 e 为单元中点
（3-19） 因此，动量方程将包含相间隔（而非相邻）节点间的压力差。 这样导致的后果是：（1）精度降低；（2）锯齿状压力场，如：
这类锯齿状压力场对动量方程而言与均匀场相同（奇偶差）。因此，高度不均匀的压 力场将被动量方程的特殊离散化当作均匀的压力场处理。 b.连续方程的离散 一维问题：
（3-20） 对控制体积分后：
即
则 （跳开了 P 点） 这样也会导致奇偶差。 （二）交错网格法 对以上出现的离散问题， 我们用交错网格法能较好的解决。 在此方法中， 将速度变量 u、 v 直接设置在 P 控制体的边界面上，即 P 控制体边界面上的 u、v 不再是通过主节点上的值 求得，而是直接解得。 交错网格法的优点是： （1）连续方程（二维）
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调节阀常见故障处理方法 1）清洗法 管路中的焊渣、铁锈、渣子等在节流口、导向部位、下阀盖平衡孔内造成堵塞或卡住使阀芯曲面、导向面产生拉伤和划痕、密封面上产生压痕等。这经常发生于新投运系统和大修后投运初期。这是最常见的故障。遇此情况，必须卸开进行清洗，除掉渣物，如密封面受到损伤还应研磨；同时将底塞打开，以冲掉从平衡孔掉入下阀盖内的渣物，并对管路进行冲洗。投运前，让调节阀全开，介质流动一段时间后再纳入正常运行。 2）外接冲刷法 对一些易沉淀、含有固体颗粒的介质采用普通阀调节时，经常在节流口、导向处堵塞，可在下阀盖底塞处外接冲刷气体和蒸汽。当阀产生堵塞或卡住时，打开外接的气体或蒸气阀门，即可在不动调节阀的情况下完成冲洗工作，使阀正常运行。 3）安装管道过滤器法 对小口径的调节阀，尤其是超小流量调节阀，其节流间隙特小，介质中不能有一点点渣物。遇此情况堵塞，最好在阀前管道上安装一个过滤器，以保证介质顺利通过。带定位器使用的调节阀，定位器工作不正常，其气路节流口堵塞是最常见的故障。因此，带定位器工作时，必须处理好气源，通常采用的办法是在定位器前气源管线上安装空气过滤减压阀。 4）增大节流间隙法 如介质中的固体颗粒或管道中被冲刷掉的焊渣和锈物等因过不了节流口造成堵塞、卡住等故障，可改用节流间隙大的节流件—节流面积为开窗、开口类的阀芯、套筒，因其节流面积集中而不是圆周分布的，故障就能很容易地被排除。如果是单、双座阀就可将柱塞形阀芯改为“V”形口的阀芯，或改成套筒阀等。例如某化工厂有一台双座阀经常卡住，推荐改用套筒阀后，问题马上得到解决。 5）介质冲刷法 利用介质自身的冲刷能量，冲刷和带走易沉淀、易堵塞的东西，从而提高阀的防堵功能。常见的方法有：①改作流闭型使用；②采用流线型阀体；③将节流口置于冲刷最厉害处，采用此法要注意提高节流件材料的耐冲蚀能力。 6）直通改为角形法 直通为倒S流动，流路复杂，上、下容腔死区多，为介质的沉淀提供了地方。角形连接，介质犹如流过90弯头，冲刷性能好，死区小，易设计成流线形。因此，使用直通的调节阀产生轻微堵塞时可改成角形阀使℃用。 密封性能差的解决方法（5种方法） 1）研磨法 细的研磨，消除痕迹，减小或消除密封间隙，提高密封面的光洁度，以提高密封性能。 2）利用不平衡力增加密封比压法 执行机构对阀芯产生的密封压力一定,不平衡力对阀芯产生顶开趋势时,阀芯的密封力为两力相减,反之,对阀芯产生压闭趋势,阀芯的密封力为两力相加，这样就大大地增加了密封比压,密封效果可以比前者提高5～10倍以上.一般dg≥20的单密封类阀为前一种情况,通常为流开型,若认为密封效果不满意时,改为流闭型,密封性能将成倍增加.尤其是两位型的切断调节阀,一般均应按流闭型使用。 3）提高执行机构密封力法 提高执行机构对阀芯的密封力，也是保证阀关闭，增加密封比压，提高密封性能的常见方法。常用的方法有： ①移动弹簧工作范围施工、安装要点 1）、安装位置、高度、进出口方向必须符合设计要求，连接应牢固紧密。
气动阀门常见故障分析及优化 发表时间：2017-11-13T11:54:56.863Z 来源：《基层建设》2017年第24期作者：马斌王爱伟崔沛[导读] 摘要：气动蝶阀结构简单，在热轧生产线中有着广泛的应用。该文以邯宝2250mm热轧生产线为背景，从其气动蝶阀的常见故障入手，分析了气动蝶阀的故障原因并提出了优化措施，并在现场实践应用中取得了良好的实用效果，收到了很好的经济效益。 河钢邯钢邯宝热轧厂河北邯郸 056003 摘要：气动蝶阀结构简单，在热轧生产线中有着广泛的应用。该文以邯宝2250mm热轧生产线为背景，从其气动蝶阀的常见故障入手，分析了气动蝶阀的故障原因并提出了优化措施，并在现场实践应用中取得了良好的实用效果，收到了很好的经济效益。 关键词：气动蝶阀；故障分析；优化 前言 邯宝2250mm热轧生产线于2008年8月投产，该生产线是由德国西马克公司设计的一条具有国际先进水平的常规热连轧生产线，汇集了加热炉数字化燃烧、精轧机组多手段板形控制和大功率交直变频传动等先进技术，具有生产工艺先进、轧机控制手段齐全等特点。因气动蝶阀具有：1、小巧轻便，容易拆装及维修；2、结构简单、紧凑，操作扭矩小，90°回转开启迅速。3、蝶阀处于完全开启位置时，蝶板厚度是介质流经阀体时唯一的阻力，因此通过该阀门所产生的压力降很小，具有较好的流量控制特性。所以2250大量采用气动蝶阀进行水冷控制，进而控制板带温度。 1 气动蝶阀常见故障分析 投产以来，由于气动蝶阀数量大、动作频繁，故障多样，根据现场故障原因分析，总结归纳了下面几种气动蝶阀故障类型及原因：介质原因。这种原因包括气源压力过低；气源杂质致使过滤器滤芯堵塞；气源进水。 电磁阀故障。这种原因包括电磁阀进入杂质卡阻；电磁阀信号接头漏气；电磁阀阀芯窜气；电磁阀插头进水、虚接；电磁阀线圈损坏。 气动执行器故障。这种原因包括执行器进入杂质，拉伤缸壁；气缸润滑不良；执行器活塞环磨损；传动机构卡涩；机件出现故障，如梅花套碎裂。 阀体故障。这种原因包括轴与轴衬的摩擦系数增大；V 型环与轴之间摩擦阻力增大；软密封件与翻板接触面变大,表面粘有灰尘、污物,阻力变大；软密封与翻板之间卡入异物；翻板销轴脱出。 气动蝶阀无反馈信号。如果气动蝶阀没有反馈信号，要用万用表检查每个接点是否有电压。要检查线路是否正确，检查信号线是否损坏，检查信号线是否接好。 （6）气动蝶阀的阀门开度不正确。该故障一般分析可直接定位在阀门定位器故障，应先其进行重新标定检查。气动蝶阀定位器有零位和量程两个调节按钮。在调节阀阀位不正确的情况下，先调节定位器的零位调节按钮，把调节阀的零位调好；再调节定位器的量程调节按钮，把调节阀的 100%的位置调节好；再调节调节阀的量程调节按钮，调节调节阀的 25%、50%、75%的位置。通过五点的调节，来确定阀门的线性。 （7）气动蝶阀动作不稳定。气源压力不稳定。原因：减压阀故障导致信号压力不稳定；调节器输出不稳定。气源压力稳定，信号压力也稳定，但调节阀的动作仍不稳定。原因：定位器输出震荡；输出管、线漏气；执行机构刚性太小；阀杆运动中摩擦阻力大，与相接触部位有阻滞现象。 2 气动蝶阀应用的优化 1）针对气源故障，优化气源设计采用经干燥器、过滤器、油雾器处理后的干净空气或氮气。避免气源中的杂质进入电磁阀和气动执行器，也可以避免输送介质泄漏进气动元件，反向污染气源。 2）针对电磁阀故障，对电磁阀进行防水、防潮处理，插头及其与线圈结合处除原有设计密封外，采用防水胶布和绝缘胶布进行防护，可以大幅降低电磁阀的事故率。 3）通过油雾器对电磁阀及气动执行器进行润滑补油，避免阀门的卡阻。 4）将阀体中的销轴连接改为方形卡槽式连接，避免因销轴脱落造成的阀门故障。 5）对电磁阀进行点检定修制，对电磁阀排气口处出现漏气情况及时排查电磁阀故障和气动执行器故障，及时进行更换。 6）对阀体密封及易损机件进行定期更换，更换周期为2年。 7）针对阀体漏水窜入执行器，对执行器、电磁阀、气源造成污染的情况，设计了气动执行器防护装置。该防护装置，整体呈平面法兰式结构，安装于阀体与气动执行器之间中心开有与阀体中轴直径相匹配且贯通两侧平面的中轴孔，两侧平面开有与阀体法兰螺栓孔相匹配的装配孔；一侧平面沿径向开有径向贯穿的导流槽，该侧平面中心开有外径大于阀体密封套直径的导流环，导流环外径大于导流槽宽度；该防护装置可将泄漏的输送介质通过导流环和导流槽排出，实现输送介质与气动执行器能源介质的有效隔离，杜绝输送介质对气动执行器的腐蚀和对能源介质的污染，延长了气动执行器的使用寿命，大幅降低了备件和维护成本，保证了生产安全正常进行；该防护装置结构简单、组装方便、经济耐用，可广泛应用于各类气动阀门的执行器防护领域。 3 应用改进效果 气动蝶阀及气动调节阀在热轧生产线中有着广泛的应用，对于热轧生产线系统的安全可靠运行具有重大的意义，因此对这种阀门的调试和常见故障总结分析是具有普遍而重大的意义的。经过上述的气动蝶阀应用改进后，气动蝶阀的事故率降低了80%左右，实现了良好的实用稳定性，其中气动阀门执行器防护装置实现输送介质与气动执行器能源介质的有效隔离，彻底杜绝输送介质对气动执行器的腐蚀和对能源介质的污染，延长了气动执行器的使用寿命，同时，当发现有输送介质外泄时，也可及时对阀体进行维修或更换，保证正常安全生产，可广泛应用于各类气动阀门的执行器防护领域。 参考文献 [1]张鲁斌，李静，吴志欣.气动调节阀故障原因分析[J].化学工程与装备，2010（1）:87-89. [2]日新.主编.工业专用阀门精品手册[M].机械工业出版社，2000.
在自动化程度较高的化工控制系统，调节阀作为自动调节系统的终端执行装置，接受控制信号实现对化工流程的调节。它的动作灵敏度直接关系着调节系统的质量，据现场实际统计大约有75%左右的故障出自调节阀。因此，在日常维护中总结分析影响调节阀安全运行的因素及其对策显得尤为重要。 1、卡堵 调节阀经常出现的问题是卡堵，常出现在新投入运行的系统和大修投运初期，由于管道内焊渣、铁锈等在节流口和导向部位造成堵塞从而使介质流通不畅，或调节阀检修中填料过紧，造成摩擦力增大，导致小信号不动作、大信号动作过头的现象。 此类故障处理办法：可迅速开、关副线或调节阀，让赃物从副线或调节阀处被介质冲跑。另外还可以用管钳夹紧阀杆，在外加信号压力的情况下，正反用力旋动阀杆，让阀芯闪过卡处。若不能解决问题，可增加气源压力、增加驱动功率反复上下移动几次，即可解决问题。如果还是不能动作，则需要对控制阀做解体处理，当然，这一工作需要很强的专业技能，一定要在懂行的人员或专家协助下完成，否则后果更为严重。 2、泄漏 调节阀泄漏一般有调节阀内漏、填料泄漏和阀芯、阀座变形引起的泄漏几种情况，下面分别加以分析。2．1 阀内漏 阀杆长短不适，气开阀阀杆太长，阀杆向上的（或向下）距离不够，造成阀芯和阀座之间有空隙，不能充分接触，导致不严而内漏。同样气关阀阀杆太短，也可导致阀芯和阀座之间有空隙，不能充分接触，导致关不严而内漏。解决方法：应缩短（或延长）调节阀阀杆使调节阀长度合适，使其不再内漏。 2．2 填料泄漏 填料装入填料函以后，经压盖对其施加轴向压力。由于填料的塑性变形，使其产生径向力，并与阀杆紧密接触，但这种接触并非十分均匀，有些部位接触的松，有些部位接触的较紧，甚至有些部位根本没有接触上。调节阀在使用过程中，阀杆同填料之间存在着相对运动，这个运动叫轴向运动。在使用过程中，随着高温、高压和渗透性强的流体介质的影响，调节阀填料函也是发生泄漏现象较多的部位。造成填料泄漏的主要原因是界面泄漏，对于纺织填料还会出现渗漏（压力介质沿着填料纤维之间的微小缝隙向外泄漏）。阀杆与填料间的界面泄漏是由于填料接触压力的逐渐衰减，填料自身老化等原因引起的，这时压力介质就会沿着填料与阀杆之间的接触间隙向外泄漏。 出现此类问题时的解决对策：为了使填料装入方便，在填料函顶端倒角，在填料函底部放置耐冲蚀的间隙较小的金属保护环，注意该保护环与填料的接触面不能为斜面，以防止填料被介质压力推出。填料函与填料接触部分的表面要精加工，以提高表面光洁度，减小填料磨损。填料选用柔性石墨，因为它的气密性好、摩擦力小，长期使用变化小，磨损的烧损小，易于维修，且压盖螺栓重新拧紧后摩擦力不发生变化，耐压性和耐热性良好，不受内部介质的侵蚀，与阀杆和填料函内部接触的金属不发生点蚀或腐蚀。这样，有效地保护了阀杆填料函的密封，保证了填料密封的可靠性，使用寿命也有很大地提高。 2．3 阀芯、阀座变形泄漏 阀芯、阀座泄漏的主要原因是由于调节阀生产过程中的铸造或锻造缺陷可导致腐蚀的加强。而腐蚀介质的通过，流体介质的冲刷也会造成调节阀的泄漏。腐蚀主要以侵蚀或气蚀的形式存在。当腐蚀性介质在通过调节阀时，便会产生对阀芯、阀座材料的侵蚀和冲击，使阀芯、阀座成椭圆形或其他形状，随着时间的推移，导致阀芯、阀座不匹配，存在间隙，关不严而发生泄漏。 解决方案为：关键把好阀芯、阀座的材质选型关。选择耐腐蚀的材料，对存在麻点、沙眼等缺陷的产品要坚决剔除。若阀芯、阀座变形不太严重，可用细砂纸研磨，消除痕迹，提高密封光洁度，以提高密封性能。若损坏严重，则应重新更换新阀。 3、振荡 调节阀的弹簧刚度不足，调节阀输出信号不稳定而急剧变动易引起调节阀振荡。还有所选阀的频率与系统频率相同或管道、基座剧烈振动，使调节阀随之振动。选型不当，调节阀工作在小开度存在着剧烈的流阻、流速、压力的变化，当超过阀的刚度，稳定性变差，严重时产生振荡。 解决对策：由于产生振荡的原因是多方面的，要具体问题具体分析。对振动轻微的，可增加刚度来消除，
大学 Zhengzhou University Cae课程论文 六斜叶式搅拌器流场数值模拟 Numerical Simulation of Shell-side Fluid-flow in the Six pitched blade stirrer 专业班级：过程装备与控制工程3班 作者：郝苒杏 作者学号：20090360310 完成时间：2012年12月16日
目录 摘要 (1) Abstract (1) 1、背景与意义 (1) 2、研究现状 (2) 3、数学物理模型 (2) 3.1基本控制方程 (2) 3.2湍流模型介绍 (3) 4、六斜叶搅拌器fluent数值模拟 (3) 4.1搅拌器结构 (3) 4.2几何建模 (4) 4.3网格划分 (4) 4.4模型求解设置 (5) 4.5边界条件设置 (6) 4.6残差设置 (7) 4.7初始化并且迭代求解 (8) 5结果分析 (8) 5.1网格独立性考核 (8) 5.2搅拌器流场速度矢量分析 (9) 5.3搅拌器压力场分析 (10) 6结论 (11) 7参考文献 (11)
六斜叶式搅拌器流场数值模拟 摘要 本文以常规六斜叶搅拌器设备为研究对象，采用数值模拟的方法，研究了搅拌器搅拌釜的流场特性的分布规律。研究结果表明:六斜叶搅拌器流动呈现为一个位于搅拌叶片外侧的大漩涡和一个位于叶片下方的小漩涡，两个漩涡之间存在流体和能量的交换，在六斜叶搅拌器中，桨叶区湍动能较大，能量耗散率高。将CFD技术应用于搅拌器搅拌流场的分析，基于Naives-Stokes方程和标准k－e 紊流模型，求解搅拌器的湍流场，数值模拟的结果对搅拌器水力优化设计具有指导意义。 Abstract In this paper, numerical simulation is eateries out to study the flow fields in three stirred tanks such as the general Pitched blade turbines(PDT)，the standard RUSHTON，and a stirred equipment with special usage. The results show that there is a large-scale vortex in the outer of the blade and a small vortex below the blade. The ruction stirred is vary little flow exchange between the vortices. The region of the stirred bale has a relative large turbulence and high turbulence dissipation rate. Stirrer CFD technology is applied to the analysis of the flow field, which is based on the Naives-Stokes equations and the standard k-e turbulence model and to solve agitator turbulence field. The numerical simulation results of the agitator is helpful to guide the design of its hydraulic optimization. 1、背景与意义 搅拌与混合是应用最广泛的过程操作之一，搅拌设备也大量应用于化工、轻工、医药、食品、造纸、冶金、生物、废水处理等行业中。由于相际接触面积大、传热传质效率高、操作稳定、结构简单、制造方便等优点，使得搅拌设备既可以当做反应器应用于很多场合，例如在合成橡胶，合成纤维和合成塑料这三大合成材料的生产中，搅拌设备作为反应器的约占反应器总数的85%一90%。同时也有大量的搅拌设备并不是仅用在化学反应中应用物料的混合、传热、传质以及制备乳液、悬浮液等。在很多化工过程中，例如水煤浆和原油的输送是煤化工，石油化的重要特征，这种高浓度的液体输送前需要有相应的搅拌过程来防止进行前可能的沉淀。 在发酵工业中，搅拌操作同样占有非常重要的地位。发酵工业涉及到很多有氧呼吸的微生物，同时氧气在发酵液中的溶解度一般都很低。为了保证微生物基本代活动所需要的氧气，氧气的迅速有效的供给尤为重要。有氧发酵过程中所涉及到的搅拌操作主要是气液传质和分散。此外，(l)发酵过程中一般都伴随有中间补给，搅拌操作可以使补给原料和基料迅速混合，避免了局部的浓度过高。(2)微生物的代活动和搅拌过程都能产生大量的热，这些可以通过搅拌来强化传热从而使搅拌釜的物料温度保持均匀。(3)可以使发酵液中的菌体和固体基质均匀的悬浮。 在实现混合操作的过程中，转轮的搅拌推流形式起着很重要的作用。不同的转轮造成的搅拌推流效果差别很大，而不同的生产过程有不同的搅拌推流目的。本文将CFD软件应用于搅拌器的搅拌流场分析，对以后的设计和分析具有指导性的意义。
第二部分模拟试题及详解 北京理工大学管理与经济学院873经济学基础模拟试题及详解（一） 一、单项选择题（每小题2分，共60分） 1．如果规模报酬不变，单位时间里增加了10%的劳动使用量，但资本量保持不变，则产出（）。 A．增加10% B．增加10%以下 C．增加10%以上 D．不会发生变动 【答案】B 【解析】规模报酬不变是指所有投入的要素以一定比率增加时，产量以相同的比率增加。如果只增加10%的劳动，而不增加资本量，则产出增加小于10%。 2．当边际成本曲线交于平均成本曲线时，下列各项不正确的是（）。 A．边际成本上升 B．平均可变成本上升 C．边际成本下降 D．总成本上升 【答案】C 【解析】边际成本曲线要比平均成本曲线和平均可变成本曲线敏感得多，不管是下降还
是上升，边际成本曲线的变动都快于平均成本曲线和平均可变成本曲线。边际成本曲线和平均成本曲线在平均成本最低点相交，有先降后升的U形特征，如图1所示。因此两者相交时，边际成本上升。 图1边际成本曲线和平均成本曲线 3．短期平均成本曲线为U形的原因在于（）。 A．范围经济的作用 B．边际报酬递减规律的作用 C．外在的经济性的作用 D．规模报酬递减规律的作用 【答案】B 【解析】边际报酬递减规律是指在其他技术水平不变的条件下，在连续等量地把一种可变要素增加到其他一种或几种数量不变的生产要素上去的过程中，当这种可变要素的投入量小于某一特定值时，增加该要素投入所带来的边际产量是递增的；当这种可变要素的投入量连续增加并超过这个特定值时，增加该要素投入所带来的边际产量是递减的。由于在边际报酬递减规律作用下的MC曲线有先降后升的U形特征，所以，AC曲线也必定有先降后升的
调节阀的故障保位 前言：为满足现代化生产装置对自控系统提出的安全控制、精细控制的高性能要求，结合工作实践中的工程实例，对特殊控制要求的控制系统的执行机构调节阀的故障形式：断电、断气、断信号进行三断保位，以保障整个装置生产的稳定性和连续性，减少不必要的停产和相应的经济损失。就化工生产中常见的气动调节阀门，分别从调节阀的断电、断气、断信号三个方面阐述了各自保位的工作原理、相应的硬件配置及工作原理，并列举调节阀的故障保位方案进行佐证 1 控制阀保位的必要性 不同工艺系统的控制需求决定了执行机构不同的失效安全工作模式。失效安全模式的选择原则首先是安全生产，其次是连续性。 在工程实践中，当遇到自控系统的气源、电源及输出信号故障时，不同的场合对阀门的状态有不同的要求，这些要求往往是出于安全和尽量减少故障损失方面的考虑，另外在安全的情况下，尽量保持装置生产的连续性也是需要考虑的一个重要方面。这就要求自控系统采取一些必要的安全保护措施。例如：在用蒸汽对罐内的物料进行加热时，如果遇到气、电故障，应将蒸汽的入口阀门关闭，切断蒸汽，即故障关（Fail to close），以防罐内物料过热结焦；再如在水冷却物料系统中，遇故障时，则希望冷却水不要被切断，此时要求水入口调节阀故障开（Fail to open）；而有些特殊的场合则希望故障出现时，阀位保持在原来的位置不变，以保持流体的稳定流量，如高温高分子中间聚合物的夹套管的蒸汽温度控制阀，一旦故障，全开会导致主管道内物料的结焦，全关则可能会导致熔体输送管线内的高分子聚合物冷却凝结，堵塞管线，此种情况下故障阀门需要保位（Fail to lock），以确保物料输入的稳定连续性。这就要求控制阀在设计中实现故障时安全的三断（断气、断电、断信号）保护措施。工程中常见的三种安全失效模式如图1所示。
搅拌器数值模拟 1 引 言 搅拌混合是一种常规的单元操作，具有广泛的应用背景，搅拌可以使物料混合均匀、使气体在液相中很好地分散、使固体粒子(如催化剂)在液相中均匀地悬浮、使不相溶的另一液相均匀悬浮或者充分乳化，并可以强化相间的传质、传热。作为工业生产中工艺过程的一部分，搅拌效果直接影响到其它后续生产过程。 在利用超临界流体对废旧橡胶进行脱硫的课题中，脱硫反应釜中应用四叶涡轮搅拌器加强脱硫剂对溶胀橡胶的渗透作用。本文即对搅拌器在反应釜中产生的流场进行数值计算，分析搅拌流场特性，通过模拟得到流场结构及搅拌桨的速度矢量分布。 2 搅拌器流场数值模拟 2.1 四叶涡轮搅拌器solidworks 建模 四叶涡轮搅拌器桨叶直径mm 106=D ，叶片宽mm 20=a ，厚mm 2=b ，轮毂直径20mm 。三维模型建好后，保存为jiaobanqi.IGS 文件。 图1 四叶涡轮搅拌器 2.2 四叶涡轮搅拌器Gambit 建模 （1）将生成的jiaobanqi.IGS 文件导入Gambit 中，得到volume1。 （2）建立搅拌槽模型 本文采用平底圆柱形槽体，内径 mm 210=T ，槽内液位高度T H =； 搅拌
器安装在轴径mm 16=d 的搅拌轴上，桨叶中心线离槽底高度 3T C = 。 图2 搅拌槽尺寸 1）建立圆柱体模型，此模型作为搅拌器的动区域，圆柱体尺寸高为60mm ，半径60mm 。之后需对圆柱体进行平移，由于圆柱体的基准面都是建立在坐标原点所处的面上，本模型需使圆柱体沿着Z 轴平移，设定Z 轴的平移量为-20，得到volume2。 2）以同样的方法分别建立高为40mm ，半径为8mm ，高为210mm ，半径为105mm ，高为110mm ，半径为8mm 的3个圆柱体，分别为volume3，volume4，volume5，其中volume3无需平移，volume4沿Z 轴平移-60，volume5沿Z 轴平移40。最终得到搅拌槽的模型如图3所示。 图3 搅拌槽模型 （3）布尔运算 本次模拟采用多重参考系模型( Multi-Reference Frame, MRF )。即在计算时，
1.稀缺必然导致资源优化配置的逻辑。 物品的稀缺会导致资源分配手段的出现，但资源分配手段的存在并不意味着资源就能得到优化配置。如果资源分配手段不合理，很可能会造成资源的浪费，因此稀缺并不一定会导致资源的优化配置。 2.资源贫乏是一国贫穷的主要原因。 导致一国贫穷的因素是多样的，资源禀赋也是其中一种，但这并不意味这它就是一国贫穷的主要原因，也不意味着一个国家资源贫乏就一定会走向贫穷。如俄罗斯作为一个资源非常丰富的国家，经济发展却长期徘徊不前；而香港、日本以及新加坡，资源高度贫乏，却迈入了发达国家与地区的行列。 3.人力资本存量是决定一国人均产出的关键。 影响一国人均产出的因素不仅包括人力资本的存量，还包含人力资本的质量等等。除此以外，人力资本要发挥对经济的推动作用还需要一定的前提与条件，如合适的制度安排等等，否则即使人力资本存量丰富，也无法得到发挥。因此人力资本存量并不是决定一国人均产出的关键。 4.股票市场上遵循价值投资的前提是市场是无效的。 如果股票市场是有效的，那就意味着现有的股票价格已经包含了所有的信息在内，并且反映了这支股票的真实价值，因此对于投资者来说，此时的股票市场并不存在进行价值投资的空间。只有当市场是无效时，股票市场存在信息不对称，股票的价格偏离了其真实价值，投资者们才能依照价值原则进行投资。 5.结构主义经济学与新结构主义经济学都强调政府的作用。 二者都强调强调政府的作用，但侧重点各有不同。结构主义经济学兴起于二战后，新兴国家谋求经济的快速发展，因此强调政府的直接干预，政府直接对市场进行调整与安排。而新结构主义经济学发展与新古典思潮之后，它更强调政府为企业创造良好的发展环境，而非直接干预。 6.因为创新具有外部性，所以创新领域应该由政府发挥主导作用。 创新领域不同于其他产业，无论是企业家还是政府，都无法准确预知未来的发展方向。因此如果由政府来引导创新、主导创新，那么很可能会限制、抑制创新的发展。因此与其由政府来发挥主导作用，不如政府退而居其次，发挥辅助作用，为企业提供资金、创造良好的发展环境，让市场和企业来发挥主导作用。 7.价格机制是配置资源最有效的方式。
气动调节阀的故障分析与解决方案 随着自动化技术地飞速发展，调节阀用于控制各种介质流量和压力，在稳定生产、优化控制等方面起着举足轻重的作用。从调节阀的结构、执行器的形式、流量特性、维护等多方面进行综合比较，针对不同工况对调节阀进行相应分析和应用，真正发挥调节阀在自动化控制中“执行单元”的作用，为管道输送介质、达到控制指标和科学管理提供有力保障。本文重点对气动调节阀的使用、故障现象和原因分析加以介绍。 调节阀是石油化工行业用来调节各种介质流量和压力的装置，它的工作正常与否直接关系整个装置的生产能否正常。生产现场的工作环境常处于高温高压、潮湿、粉尘、振动、易燃易爆等恶劣条件，故障率较高，气动调节阀在惠州炼化运行一部使用最为广泛，所以保证其使用正常是十分重要的。 1调节阀简介 根据国际电工委员会IEC对调节阀(国外称CONTROLVALVE控制阀)的定义:调节阀是由执行机构和阀体部件两部分组成，即调节阀=执行机构+阀体部件执行机构是调节阀的推动装置，它按信号压力的大小产生相应的推力，使推杆产生相应的位移，从而带动调节阀的阀芯动作;阀体部件是调节阀的调节部分，它直接与介质接触，通过执行机构推杆的位移，改变调节阀的节流面积，达到调节的目的。 2调节阀常见故障现象及原因分析
2.1 气源故障 1)现场气源未开。 2)气源含水，天气寒冷结冰。 3)净化风停止供应。 4)气源总管泄露或风线堵塞导致风压过低，调节阀不能全开或全关，甚至不动作。 5)空气过滤减压器长时间使用，脏物太多，减压阀下黑色旋钮打开漏风，使输出风压小于规定的压力，导致调节阀不能全开全关，甚至不动作。 6)现场风线漏风，接头松动，导致风压不足，调节阀不能全开全关，甚至不动作。 7)过滤减压阀故障，导致风压不稳，造成调节阀振荡。 2.2 线路故障 1)电源线接线端松动、脱落、短路、断路，电路板灰尘积得太多导致接触不良，信号波动，调节阀产生振动。 2)大雨或台风过后，设备进水受潮使接线短路，造成调节阀不能全开或全关。 3)极性接反会导致调节阀不动作。
三维搅拌器数值模拟 搅拌器数值模拟 1 引言 搅拌混合是一种常规的单元操作，具有广泛的应用背景，搅拌可以使物料混合均匀、使气体在液相中很好地分散、使固体粒子(如催化剂)在液相中均匀地悬浮、使不相溶的另一液相均匀悬浮或者充分乳化，并可以强化相间的传质、传热。作为工业生产中工艺过程的一部分，搅拌效果直接影响到其它后续生产过程。 在利用超临界流体对废旧橡胶进行脱硫的课题中，脱硫反应釜中应用四叶涡轮搅拌器加强脱硫剂对溶胀橡胶的渗透作用。本文即对搅拌器在反应釜中产生的流场进行数值计算，分析搅拌流场特性，通过模拟得到流场结构及搅拌桨的速度矢量分布。 2 搅拌器流场数值模拟 2.1 四叶涡轮搅拌器solidworks建模 b,2mmD,106mm四叶涡轮搅拌器桨叶直径，叶片宽a,20mm，厚，轮毂直径 20mm。三维模型建好后，保存为jiaobanqi.IGS文件。 图1 四叶涡轮搅拌器 2.2 四叶涡轮搅拌器Gambit建模
(1)将生成的jiaobanqi.IGS文件导入Gambit中，得到volume1。 (2)建立搅拌槽模型 H,T本文采用平底圆柱形槽体，内径 T,210mm，槽内液位高度; 搅拌 d,16mm器安装在轴径的搅拌轴上，桨叶中心线离槽底高度。 C,T3 图2 搅拌槽尺寸 1)建立圆柱体模型，此模型作为搅拌器的动区域，圆柱体尺寸高为60mm，半径60mm。之后需对圆柱体进行平移，由于圆柱体的基准面都是建立在坐标原点所处的面上，本模型需使圆柱体沿着Z轴平移，设定Z轴的平移量为-20，得到 volume2。 2)以同样的方法分别建立高为40mm，半径为8mm，高为210mm，半径为 105mm，高为110mm，半径为8mm的3个圆柱体，分别为volume3，volume4，volume5，其中volume3无需平移，volume4沿Z轴平移-60，volume5沿Z轴平移40。最终得到搅拌槽的模型如图3所示。
调节阀故障原因及处理方法 1 、前言 在自动化程度较高的工业控制系统，特点是正迅速发展的用计算机优化控制，将使生产取得最大效益。调节阀在控制流体流量的工作过程中，作为自动调节系统的终端执行装置，接受控制操作信号，按控制规律实现对流量的调节。它的动作灵敏与否，直接关系着调节系统的质量。据现场实际工作统计，调节系统有70% 左右的故障出自调节阀。因此，保证调节阀可*、准确运行，一直是一个很重要的问题。 2 、调节阀的故障形式及原因 2.1 卡堵 调节阀经常出现的问题是卡堵，常发生于新投运系统和大修后投运初期，由于管道中的焊渣、铁锈、渣子等在节流口、导向部位、下阀盖平衡孔内造成堵塞，使被测介质流通不畅，或填料装填过实，致使摩擦力增大，造成信号小时动作不了，信号大时一旦动作又过头的现象。 2.2 泄漏 2.2.1 阀杆长短不合适泄漏 （1 ）风开阀，如图1 、图 2 ，当调节阀膜头接收入信号为0.02MPa 或0.02MPa 以下时，如果阀杆太长，阀杆向上（或向下）移动距离不够，造成阀芯和阀座之间的间隙，而不能充分接触，导致调节阀关 不严而内漏。 （2 ）风关阀，如图 3 、图 4 ，当调节阀信号为0.1MPa 或0.1MPa 以上时，如果阀杆太短，阀芯向下（或向上）移动距离不够，造成阀芯和阀座之间有间隙，而不能充分接触，导致调节阀关不严而内漏。 2.2.2 填料泄漏 填料装入填料函以后，经压盖对其施加轴向压力。由于填料的塑性，使其产生径向力，并与阀杆紧密接触，但这种接触并不是非常均匀的。有些部位接触的紧，有些部位接触的松，还有些部位没有接触上。调节阀在使用过程中，阀杆同填料之间存在着相对运动，这个运动叫轴向运动。在使用过程中，随着高温、高压和渗透性强的流体介质的影响，调节阀填料函也是发生泄漏现象较多的部位。造成填料泄漏的主要原因是界面泄漏，对于纺织填料还会出现渗漏（压力介质沿着填料纤维之间的微小缝隙向外泄漏）。阀杆与填料间的界面泄漏是由于填料接触压力的逐渐减弱，填料自身老化等原因引起的，这时压力介质就会沿着填料 与阀杆之间的接触间隙向外泄漏。 发送图片到手机，此主题相关图片如下： 图1 图2 2.2.3 阀芯、阀座变形泄漏
气动调节阀知识 气动调节阀就是以压缩空气为动力源，以气缸为执行器，并借助于电气阀门定位器、转换器、电磁阀、保位阀等附件去驱动阀门，实现开关量或比例式调节，接收工业自动化控制系统的控制信号来完成调节管道介质的：流量、压力、温度等各种工艺参数。气动调节阀的特点就是控制简单，反应快速，且本质安全，不需另外再采取防爆措施。 ◆◆◆ 气动调节阀工作原理(图)
气动调节阀通常由气动执行机构和调节阀连接安装调试组成，气动执行机构可分为单作用式和双作用式两种，单作用执行器内有复位弹簧，而双作用执行器内没有复位弹簧。其中单作用执行器，可在失去起源或突然故障时，自动归位到阀门初始所设置的开启或关闭状态。 气动调节阀根据动作形式分气开型和气关型两种，即所谓的常开型和常闭型，气动调节阀的气开或气关，通常是通过执行机构的正反作用和阀态结构的不同组装方式实现。 ◆◆◆ 气动调节阀作用方式： 气开型（常闭型）是当膜头上空气压力增加时，阀门向增加开度方向动作，当达到输入气压上限时，阀门处于全开状态。反过来，当空气压力减小时，阀门向关闭方向动作，在没有输入空气时，阀门全闭。顾通常我们称气开型调节阀为故障关闭型阀门。 气关型（常开型）动作方向正好与气开型相反。当空气压力增加时，阀门向关闭方向动作；空气压力减小或没有时，阀门向开启方向或全开为止。顾通常我们称气关型调节阀为故障开启型阀门。
气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑。当气源切断时，调节阀是处于关闭位置安全还是开启位置安全。 举例来说，一个加热炉的燃烧控制，调节阀安装在燃料气管道上，根据炉膛的温度或被加热物料在加热炉出口的温度来控制燃料的供应。这时，宜选用气开阀更安全些，因为一旦气源停止供给，阀门处于关闭比阀门处于全开更合适。如果气源中断，燃料阀全开，会使加热过量发生危险。又如一个用冷却水冷却的的换热设备，热物料在换热器内与冷却水进行热交换被冷却，调节阀安装在冷却水管上，用换热后的物料温度来控制冷却水量，在气源中断时，调节阀应处于开启位置更安全些，宜选用气关式(即FO)调节阀。 ◆◆◆ 阀门定位器 阀门定位器是调节阀的主要附件，与气动调节阀大大配套使用，它接受调节器的输出信号，然后以它的输出信号去控制气动调节阀，当调节阀动作后，阀杆的位移又通过机械装置反馈到阀门定位器，阀位状况通过电信号传给上位系统。阀门定位器按其结构形式和工作原理可以分成气动阀门定位器、电-气阀门定位器和智能式阀门定位器。
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气动调节阀在自控系统中的故障分析 气动调节阀是石油、化工、电力、冶金等工业企业广泛使用的工业过程控制仪表之一。化工生产中气动调节阀在调节系统中是必不可少的，它是组成工业自动化系统的重要环节，它如生产过程自动化的手脚。 标签：调节阀;故障分析;气动;结构原理 气动调节阀又称气动控制阀，是工业生产过程中实现自动控制、自动调节的重要设备。气动调节阀可以连续和精确的调节流体的流量、温度、压力、液位等参数，以满足生产工艺的需要。 一、气动调节阀在化工领域的概述 調节阀是现在工业控制中的重要控制执行机构，调节阀的选型、控制精度直接影响到生产线制造产品的质量的控制效果。在工业生产过程中，生产线上的调节阀控制机构出现故障，影响工艺生产稳定，甚至有可能引起生产线的事故的发生及人员的伤亡等，造成不必要的安全隐患，后果是难以估计的。在现代工业生产过程中，工业自动化程度较高，气动阀的应用范围较广，它是一种相对来说比较稳定的控制执行机构，内部结构相对简单，维修与故障处理通俗易懂，同时生产线上应用这种调节阀对生产线的稳定运行及生产线的自动化控制都是较为通用。 二、气动调节阀结构及工作原理 气动调节阀主要由气动执行机构、阀体、附件三部分组成。执行机构以洁净压缩空气为动力，接收4至20毫安电信号或20至100KPa气信号，驱动阀体运动，改变阀芯与阀座间的流通面积，从而达到调节流量的作用。为了改善阀门的线性度，克服阀杆的摩擦力和被调介质工况（温度、压力、流量、液位）变化引起的影响，使用阀门定位器与调节阀配套，从而使阀门位置能按调节信号精确定位;其工作原理为力矩平衡原理。 气动装执行机构主要由上、下膜盖、橡胶隔膜、气动杆、支架、弹簧、弹簧座、调节套筒、连接螺母、行程指示器、操纵手轮等部件组成。橡胶隔膜为气动执行装置的关键部件，一般由具有较好的耐油及耐高、低温性能的丁腈橡胶加锦纶丝织物制成。为了保护其有效面积基本上保持不变，提高气动装置工作的线性度，膜片常制作成波纹状。为了保证作用于膜片上的压力能有效准确地传递给气动杆，除薄膜的四周夹装于上、下膜盖之间以外，其中间部分压装在下护板的盘形件上。回位弹簧也是一个关键部件，它能使气动阀在气动头失气后迅速回到阀门的安全位置，对它的要求是在全行程范围内弹簧的刚度应不发生变化，这样可以提高气动装置的线性度。上、下膜盖一般用灰铸铁铸成，也可用钢板冲制。它们与膜片构成隔膜气室.形成操作阀门的动力。调节套筒用来调整弹簧的预紧力，这样可以根据实际工作需要改变进气压力的起始值和压座预紧力。气动杆一
调节阀常见故障及处理方法 1、调节阀漏量大，调节阀全关时阀芯与阀座之间有空隙，造成阀全关时介质的流量大，被控参数难以稳定。 1>、在调节阀调校中调节阀行程调节不当或阀芯长时间使用造成阀芯头部磨损腐蚀。通常向下调节阀杆减小空隙达到减少泄漏的目的 2>、阀芯周围受到介质的腐蚀比较严重，阀芯受介质中焊渣、铁锈、渣子等划伤产生伤痕。应取出阀芯进行研磨，严重的应该更换新阀芯。 3>、阀座受到介质的腐蚀比较严重，或介质中焊渣、铁锈、渣子等划伤产生伤痕，阀座与阀体间的密封被破坏。应取出阀座进行研磨，更换密封垫片，严重的应该更换新 4>、阀内有焊渣、铁锈、渣子等赃物堵塞，使调节阀不能全关，应拆卸调节阀进行清洗，同时观察阀芯阀座是否有划伤磨损现象 5>、套筒阀阀芯与阀座间的密封垫片损坏，碟阀的密封圈损坏使调节阀全关时节流间隙比较大。 2、调节阀盘根故障。阀杆与盘根间的摩擦力使调节阀小信号难以动作，大信号跳跃振动，造成调节过程中调节阀波动较大，参数难以稳定。摩擦力大时造成调节阀单向动作甚至不动。日常维护中应该定期增加润滑油或润滑脂，盘根老化严重，泄露严重的应该更换盘根。 1>、被调介质的高温高压使调节阀的盘根膨胀老化加大对阀杆的摩擦力 2>、由于阀杆的频繁动作使盘根的密封性变差使介质外漏，若介质是高粘介质会附着在阀杆上加大了摩擦力，同时外泄介质受冷凝固更加增大了摩擦力； 3>、在处理盘根泄漏时盘根压板太紧增大了阀杆的摩擦力； 4>、调节阀安装管道前后管线不同心，使调节阀有应力且附加到阀杆上致使阀杆与盘根的摩擦力加大。 3、阀杆与连接件松动或脱落，由于现场震动或连接件紧固螺母松动，阀杆太靠下与连接件连接部分太少，在运行中阀杆与执行机构推杆不同步或脱落不动，影响调节阀动作甚至失灵。 4、阀座有异物卡住或堵死。管道中杂质进于阀座，损坏阀芯阀座影响调节阀动作，使漏量增大。在酸性气、瓦斯气的调节中气体中的杂质在调节阀节流处逐渐沉淀堵塞调节阀。在切水阀调节中，由于介质压力小，流速缓慢，介质中的杂质逐渐沉淀堵塞调节阀或调节阀前后的管道，使调节阀失去作用 5、调节阀膜头故障。调节阀的波纹膜片长时间使用老化变质，弹性变小，密闭性变差，甚至产生裂纹漏风严重。压缩弹簧老化弹性系数改变，甚至断裂。使调节阀膜头输出的摧杆位移发生变化，推力变小，导致调节阀调节质量变差不能全开全关甚至失去调节作用。
气动调节阀维护检修规 程 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998
气动调节阀维护检修规程 1总则 主题内容及适用范围本规程规定了气动调节阀的维护、检修、投运及安全注意事项的实施要示和实施程序。 基本工作原理调节阀是按照控制信号的方向和大小，通过改变阀芯行程（即阀芯、阀座所造成的流通面积的大小）来改变阀的阻力系数，达到调节被控介质流量的目的。 种类调节阀按其结构形式可分为直通双座阀、直通单阀、三通阀、小流量阀、套筒型单座阀、套筒型双座阀、低温调节阀、角阀、隔膜阀、偏心旋转阀（挠曲阀）、蝶阀、球阀等十余种。 构成及其功能调节阀主要由气动执行机构、手轮、上阀盖、阀体、阀座、阀笼、阀芯、阀杆和压板等零部件组成。 a.气动执行机构：气动执行机构分气动薄膜执行机构和气动活塞执行机构两种。气动执行机构是调节阀的推动装置，根据控制信号的大小，产生相应推力，推动阀门动作。 b.上阀盖：对于不同的工作温度和密封要求，上阀盖分普通型（-20-+250）、散（吸）热型（-60-+450）、长颈型（-60-+250）、波纹管密封型（强毒、易挥发、渗透或贵重介质）。 c.阀座：阀座与阀芯间的面积构成了流通截面。 d.阀笼：起导向作用，不会引起阀芯振动。并且可以通过改变阀笼窗口的形状和大小来改变流量特性和流通能力。 e.阀芯：它不但与阀座构成流通截面，而且可以通过改变阀芯形状和大小来改变流量特性和流通能力。 f.填料：起密封和导向功能。
主要技术性能调节阀的主要性能有始点偏差、终点偏差、全行程偏差、非线性偏差、正反行程变差、灵敏限、薄膜气室（或气缸）的气密性、调节阀密封性、阀座关闭时的允许泄漏量、流量系数及流量特性等项目，下面列表着重介绍几项主要技术性能。（见表一：气动薄膜调节阀主要技术性能表）。 对维护检修人员的基本要求。维护人员应具备中下条件： a.熟悉本规程及相应的产品说明书等有关技术资料； b.了解工艺流程及调节阀在其中的作用； c.掌握数学基础、机械基础、钳工基础、钳工工艺、化工检修安全知识、仪表常识、调节阀维修等方面的基础理论知识； d.掌握调节阀的维护、检修、投运及常见故障处理的基本技能； e.掌握常用机械加工设备和有关的标准仪器、工卡量具的使用方法。 2 完好条件 零部件完整，符合技术要求，即： a.防雨帽、行程指示牌等零件完好无损,调节阀铭牌清晰、整洁、无空缺； b.各紧固件不松动，（手轮完好），使用灵活； c.无锈蚀变形损伤，无泄漏； d过滤减压阀无泄漏损伤，调压正常；e.定位器无锈蚀损伤变形，密封严密。 运行正常符合使用要求，即： a.动作灵活，行程正确，弹簧范围正确； b.泄漏量符合要求； c.无振动，无燥音； d.阀位稳定； e.无外漏现象。