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基于COMSOL液压节流阀内部流场数值模拟研究王海冰;王攀达;李文华;张子耀;李贝贝;刘秀梅【摘要】针对不同开度下U型节流阀内部流场的变化,基于软件COMSOL Multiphysics建立CFD数值计算模型,得到了节流阀内部流场的速度、压力分布等随着阀口开度变化的特性云图.研究结果表明:节流口处压力下降梯度较大,并出现局部低压区.阀内流体速度在经过阀口处急剧变化,阀口附近流速达到最大,并沿流体流动方向形成一个空心锥形高速射流区域.即流体出口端射流出射方向倾斜指向出口,另一过流面中流体出射方向指向阀座,并沿阀体壁面流动.此外,随着阀口开度减小,阀口处速度大小和阀口附近压力几乎不变,但是节流口流体出射方向角度变大.【期刊名称】《液压与气动》【年(卷),期】2015(000)008【总页数】4页(P26-29)【关键词】节流阀;COMSOL;流体流动;射流【作者】王海冰;王攀达;李文华;张子耀;李贝贝;刘秀梅【作者单位】中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院,江苏徐州221116;浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州310027【正文语种】中文【中图分类】TH137引言节流阀在液压系统中起到流量控制等重要作用。
但是当阀内流体与过流部件发生高速相对运动时，极易产生空化现象，破坏流体的连续性，使流场特征更加复杂，并影响节流阀的使用性能和寿命[1]。
此外，空化形成的气泡在流经压力恢复区时，会发生溃灭，引发诸如材料损伤、振动、噪声等问题[2]。
因此，对节流阀内部流动特性开展相关研究对节流阀的优化设计具有重要的理论意义。
随着液压技术的兴起、液压技术自身发展需求和流场仿真及检测技术的提高，针对液压元件及系统开展更多深入研究是一种发展趋势。
气动阀门流场特性数值分析一、引言气动阀门作为工业自动化控制系统中的一种重要元素，其性能的优劣直接影响到整个系统的稳定性和控制精度。
阀门的流场特性是影响阀门性能的重要因素之一。
通过数值模拟技术对气动阀门的流场特性进行分析，可以为气动阀门的优化设计提供理论依据。
二、气动阀门的工作原理气动阀门是利用气动执行机构控制阀瓣的开合以调节流量或者压力的设备。
其工作原理如下：气动执行机构由气压缸、气缸驱动机构、阀杆和弹簧等组成。
当气源通入气压缸时，气压缸内部的气体使得机构上的阀杆向下移动，进而使得阀门开启；当气源被关闭时，气压缸内压力降低，阀芯上的弹簧将阀杆向上移动，进而使得阀门关闭。
气动阀门的开启程度通过气缸驱动机构来控制。
三、气动阀门流场特性分析气动阀门中流场特性的研究重点是在不同工况下阀门内部流体的流速分布、压力分布以及其它物理量的变化。
通过数值模拟技术进行气动阀门流场特性的分析，可以绘制出不同工况下压力场、速度场等相关的流场参数。
气动阀门的流场特性受到其工况和流路结构的影响。
当阀门处于全开和全闭状态时，气流主要在直通管道中流动，此时流场具有对称性；当阀门处于半开状态时，由于气流通过阀门时会产生流动分离现象，因此气动阀门的流场特性会十分复杂。
流场特性的研究一般可以分为两个步骤：数值模拟和分析。
在数值模拟中，通过计算流体力学模拟软件对气动阀门的流场进行模拟，通过数值方法求解非定常流体动力学方程组、传质方程和能量方程，得到各物理量在时间和空间上的分布情况。
在分析阶段，需要通过对数值分析结果进行数据处理和统计分析，得出流场特性的各项指标。
四、气动阀门流场分析方法气动阀门的流场分析方法包括物理试验和数值模拟两种方式。
物理试验可以获得阀门内部流体的实际流动情况，但是试验过程受制于环境、设备和条件等因素，成本较高。
数值模拟方法可以通过数学模型对气动阀门的流场特性进行分析，具有成本低、模拟准确等优点。
因此，目前研究气动阀门流场特性的方法以数值模拟为主。
微型高速泵内空化流动的数值分析李业强;赖焕新【摘要】以一台单级微型高速离心泵为研究对象,对其内部空化流动进行全流场数值模拟,分析了3种流动系数和不同空化数时该离心泵叶片流道内的空泡、静压以及相对速度分布规律.研究结果表明:空泡最先在叶片吸力侧前缘产生,该空泡区随着空化数的减小沿着叶片吸力侧向出口尾缘迁移和扩大,且呈非对称分布.在相同空化数下,随着流量系数的增加叶片流道内的空化区域变大;叶片吸力侧中间区域出现低速区并在叶片间流道内发展,同时,叶片尾缘处的高速区向叶轮内延伸,表明空泡造成叶轮内流道的堵塞,阻碍液体的流动;在叶片吸力面侧,空泡体积分数的最大值主要分布在叶片中间靠近轮毂的位置,而在压力面侧位于叶片前缘的机匣附近.初步建立了关于微型高速离心泵内空泡流动的一个较完整的认识.【期刊名称】《华东理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(042)001【总页数】8页(P141-148)【关键词】微型高速离心泵;静压分布;空化流动;空泡体积分数【作者】李业强;赖焕新【作者单位】华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237;华东理工大学承压系统与安全教育部重点实验室,上海200237【正文语种】中文【中图分类】S277.9;TH311现代科技中，微型高速离心泵越来越广泛应用于电子、太空和医学等领域及相关的微型化研究。
与传统的大型离心泵相比，微型高速离心泵采用高转速可以有效地提高比转速和效率性能，但运行在高速下，泵内过流部件极易发生空化，造成泵性能下降。
目前为止，对于离心泵内的空化流动特性研究大多集中在中低速的大型离心泵［1-7］，而针对此类微小型高速离心泵的性能研究相对较少。
另一方面，微小型离心泵与大型机械泵的转速和尺寸相差较大，空化相似定律换算得到的空化余量误差较大，不能有效地预测泵内的空化性能［8］。
为了认识微型高速离心泵内的空化流动现象，本文采用ANSYS CFX软件运用RNG k-ε湍流模型和基于Rayleigh-Plesset输运方程的空化模型，通过改变流量系数、空化数对微型高速泵内流动进行空化数值模拟，分析流道内的静压和空泡分布规律，为改善微型高速泵的设计与应用提供参考意义。
学术论坛459 阀门流道流场的数值模拟及阻力特性研究蔡幼青，牧剑春，蔡 明（浙江锋源仪表有限公司，浙江 富阳 311400）摘要：在本研究中使用孔隙率进行流场空间定义，同时采用k-ε二维紊流模式以及有限体积法针对阀门阀道流场开展模拟分析，通过优化阀门阀道体型，以找到合适的阻力系数以及过水断面合理的阀道体型，以期希望能给相关工作人员提供帮助。
关键词：阀门流道；流场；数值模拟；阻力特性在管道工程施工过程中，阀门是重要元部件，目前被广泛用于日常生活和工农业生产中，由于阀门流道结构相对复杂，当流体通过阀道时会存在死水区，水锤，空化等现象，这些就会从一定程度上影响管道的运行，并且使管道局部水头损失的重要原因。
当前国内针对泵的流动特性以及风机特性进行研究并获得一定成果，而对于各类型的阀门，比如旋塞式阀门流道流动特性相关研究较少，在设计中仍采用传统设计方法，只注重结构形态而没有分析流阻损失，进一步导致较大能耗。
在实际管道工程施工中，由于阀门阀道局部水头损失比例较大，因此本研究主要针对WCB 型阀门流道的流场进行特性分析。
1 控制方法及解法整体上来看，阀门阀道的水流流动特性是三维型的，由于流态复杂并且内部轮廓线也相对复杂，为简化计算，需要对阀道对称面二维下的阀道流场进行分析，在处于恒定流条件下，可使用二维直角坐标进行方程求解。
如下公式所示。
φφφφρφρRS YR Y X R X RU Y RU X+∂∂Γ∂∂+∂∂Γ∂∂=∂∂+=∂∂)()())()( 在上述公式中，通用变量用φ表示，广义运输技术用Γ表示，源项用S φ表示，孔隙率用R 表示。
在处于流体空间中R 值为1，而在处于固体空间中R 为0。
采用k-ε模式表示紊流模型，针对流体的控制方程：连续性方程，动量方程分别如下所示。
0=∂∂+∂∂YVX U X P Y U vt v Y X U vt v X UV Y UU X ∂∂-∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂ρ])[(])[()()(YP Y Y vt v Y X V vt v X VV Y UV X ∂∂-∂∂+∂∂+∂∂+∂∂=∂∂+∂∂ρ])[(])[()()( 由于阀门内轮廓线相对复杂，因此可使用CAD 软件绘制时实体阀门，可使用孔隙率来定义流体空间，并将实体嵌入到定义区域中，在固体中孔隙率为零，在含有流体阀道中，孔隙率是1，可使用孔隙率进行的对空间的定义，该方法相对简单，可用于垂直、水平直线边壁。
节流阀数学模型在工业领域中，节流阀是一种常见的用于控制流体的装置。
它通过调节流体流量的大小，来实现对系统压力、温度、流速等参数的控制。
而为了更好地设计和操作节流阀，数学模型的建立就显得尤为重要。
本文将讨论节流阀数学模型的建立方法及其在工程实践中的应用。
一、节流阀的数学模型建立1. 流体动力学模型节流阀的数学模型主要基于流体动力学原理建立。
通过利用质量守恒、动量守恒和能量守恒方程，可以推导出流体在节流阀内部的流动行为。
其中，质量守恒方程描述了流体的流量与节流阀的压差之间的关系，动量守恒方程描述了流体的速度和节流阀的压力之间的关系，能量守恒方程描述了流体的压力和温度与流动参数之间的关系。
2. 流体力学系数为了建立完整的数学模型，还需考虑流体力学系数的影响。
这些系数包括摩擦系数、雷诺数、流体的物性等。
摩擦系数反映了节流阀内的粘滞效应，雷诺数则用以判断流动的状态（层流或湍流），而流体的物性则直接影响流体的流动行为。
这些系数需要通过试验或计算进行确定。
3. 数值计算方法在实际应用中，对于复杂的节流阀系统，往往需要借助数值计算方法来解决数学模型的求解问题。
常用的数值计算方法包括有限差分法、有限元法、计算流体力学（CFD）等。
这些方法可以有效地模拟节流阀内部的流动情况，并对设计参数进行优化。
二、节流阀数学模型的应用1. 控制系统设计通过建立节流阀的数学模型，可以根据不同的控制策略，预测流体流量对节流阀开度的响应。
这使得控制系统设计师能够根据工艺要求和设备特性，选择最佳的控制参数。
例如，在自动化流程控制中，可以通过数学模型进行开环或闭环控制，实现对节流阀的精准控制。
2. 性能评估与优化利用节流阀的数学模型，可以进行性能评估和优化。
通过分析流体在节流阀内部的流动特性，可以评估节流阀的控制精度、稳定性以及能耗等性能指标。
同时，还可以利用模型对节流阀的结构参数进行优化设计，以提高系统的效率和可靠性。
3. 故障检测与故障诊断数学模型也可以用于节流阀故障的检测和诊断。
(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！) 安徽建筑工业学院毕业设计 (论文)专业机械设计制造及其自动化课题节流阀内部流场数值模拟分析2010 年 5 月 28 日摘要单向节流阀是流体传动与控制技术中重要的基础元件，节流阀内部的流场特性直接影响节流阀的性能。
本文结合计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)软件FLUENT对节流阀的内部流场进行了数值模拟与分析计算。
本文按照实际使用中的节流阀的参数，采用Solid Works软件，建立了阀的三维几何模型。
运用FLUEN T前处理软件GAMBIT了网格的划分。
在FLUENT 软件中对两种模型的流场进行了稳态数值模拟。
在主阀阀芯的性状不同、边界条件相同和节流口开口宽度不同、边界条件相同时对流场进行模拟，找出影响阀芯压力和速度分布的因素。
在对主阀口进行模拟时，分别对比不同开口宽度时的沿程压力分布情况，进而选择出最适合此处的主阀阀芯性状和开口宽度。
对阻尼小孔进行数值模拟时，重点考虑节流阀开口处两端的压力差，找到两端压力差小的阻尼孔直径数值。
关键词:单向节流阀，内部流场，数值模拟ABSTRACTUnidirectional Throttle Valve is a fluid transmission and control technology based on the most important components, valve relief valve within the flow field characteristics of a direct impact on the performance of valves. In this paper, computational fluid dynamics CFD (Computational Fluid Dynamics) software FLUENT for Pilot-operated relief valve of the flow field calculation and analysis of numerical simulation.In this paper, according to the actual use of the Pilot-operated relief valve of the parameters, the use of Solid Works software, the establishment of a Pilot-operated relief valve of the three-dimensional geometric model. FLUENT software, the use of pre-treatment works GAMBIT division of the grid. FLUENT software in two models of the flow field of the numerical simulation of steady-state.Spool valve in the main traits of the different boundary conditions and damping the same spool factors. Main valve port in the simulation, the main valve, respectively, compared to the structure of spherical cone valve cone peaceful side of the valve structure of the distribution of pressure along the way, and then select the most appropriate valve spool. Damping the numerical simulation, the focus on small damping of the pressure difference at both ends to find the pressure difference at both ends of the small diameter of the damping value.KEY WORDS: Unidirectional Throttle Valve, the flow field, numerical simulation目录目录 (Ⅲ)第一章绪论 ......................................................................... 错误！未定义书签。
节流阀中航空燃油的气液两相空化流动特性晁文雄（中国航发西安动力控制科技有限公司，陕西西安 710077）摘 要： 基于k-ε湍流模型和SIMPLE算法，将Mixture多相流模型与汽蚀模型相结合，对节流阀中的航空燃油进行气液两相定常数值模拟，研究节流阀在不同活门开度和进口压力下的空化流动特性。
结果表明：随着活门开度的减小，节流阀内航空燃油的汽化区域面积增大，最大流动速度先增加后减小；航空燃油在节流阀内的进口压力越小，越容易产生气体析出和液相汽化。
关键词： 气液两相；汽化；空化流动；节流阀中图分类号：TK 413.8 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 (2018) 04-079-05工业技术创新 URL : http: // DOI : 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.04.016引言节流阀是航空燃油系统的重要控制元件之一，多用于燃油泵和调节器的流量调节。
节流阀需满足两点要求：一是对航空燃油流量、压力控制的稳定性和可靠性；二是阻力小、损失少。
节流阀的工作原理是利用阀体内阀芯的相对运动来控制阀口的通断以及阀口开口的大小[1,2]。
在燃油的节流过程中，阀芯容易受到空化气蚀，引起节流阀发生振动、产生噪声等[3-5]，破坏燃油的连续性，使节流阀的工作寿命缩短、可靠性降低。
因此，计算节流阀内部的流动规律、分析节流阀内部的空化相变，具有重要的意义[6-10]。
本文基于气液两相空化流动的流体动力学模型，数值模拟分析节流阀内部的空化流动特性，并研究活门开度和进口压力对空化区域、流速、压力等物理参数的影响。
1 物理模型采用节流阀三维几何流道模型，剖面如图1所示。
通过活门开度的控制，实现供油流量的调节。
进口节流活门开度Z 如图2所示，选取全调节范围内8个典型活门开度（0.3 mm 、0.5 mm 、1 mm 、1.5 mm 、2 mm 、3 mm 、3.5 mm 、4 mm ）进行研究。
节流阀的结构及流量特性分析发表时间：2014-12-18T10:16:25.530Z 来源：《价值工程》2014年第8月中旬供稿作者：韩志引[导读] 由此可得将节流阀不管安装在回路的那个位置上进行控速，执行元件液压缸的运动速度都将非常的不稳定。
Analysis of the Structure and Flow Characteristics of Throttle Valve韩志引HAN Zhi-yin（潍坊工程职业学院山工机电工程学院，潍坊262500）（SEM School of Electromechanical Engineering of Weifang Engineering Vocational College，Weifang 262500，China）摘要院本文对流量控制阀中节流阀的结构、性能及应用进行了分析，叙述了节流阀在液压系统中的性能和特点，并指出了节流阀在液压系统的调速过程中速度与负载关系特性呈现软性，即调速不稳定的特点。
Abstract: This paper analyses the structure, properties and application of flow control throttle valve, describes the properties andcharacteristics of throttle valve in the hydraulic system, and points out the throttle speed in the control process of hydraulic system and loadcharacteristics is soft, namely speed instability.关键词院节流阀；流量控制阀；功能；流量特性Key words: throttle valve；flow control valve；function；flow characteristics中图分类号院TH137 文献标识码院A 文章编号院1006-4311（2014）23-0082由此可得将节流阀不管安装在回路的那个位置上进行控速，执行元件液压缸的运动速度都将非常的不稳定，即速度与负载之间的关系特性都会呈现软性，调速回路的效率较低。
混流式水轮机小开度工况流动计算摘要：随着计算机技术日新月异的发展和计算流体动力学的进步，三维流动数值模拟逐步被应用于水轮机的分析和优化。
再加上各种湍流理论在CFD软件应用中的成熟，使得全面、精确地数值计算模拟成为可能。
这种利用计算机技术的分析方法比传统的模型机试验更省时省力，并有更好的精度保证。
本文即是在雷诺时均N-S方程基础上，采用有限体积法和标准κ-ε紊流模型，对混流式模型水轮机导叶进行了三维定常紊流计算。
论文的主要任务是对非设计工况下混流式水轮机蜗壳导叶内的流态进行分析，以期了解小开度下水轮机发生各种水力现象及振动的机理。
关键词：混流式水轮机；导叶；小开度；CFD；流态分析ABSTRACT：With the rapid development of computer technology and advances in computational fluid dynamics（CFD），the numerical simulation of three-dimensional（3D）flows have been gradually applied to the analysis and optimization of hydraulic turbines. In addition，a variety of turbulence flow theories in the application of CFD software had been matured，make a comprehensive，accurate numerical simulation of possible. This analysis with the help of computer technology is easier than the traditional experiment，and it makes the results more accurate.The paper is based on the Reynolds N-S equation. It uses the Finite element volume method and the standard κ-ε turbulence flow model，do the computing of the 3D-steady turbulent flow in Francis turbine guide vane. The main task of paper is to analyse the flow regime in the Francis turbine’s spiral diffuser under the off-design conditions，to know the hydraulic phenomenon in the turbine with the small open degree and the mechanism for vibration.Key words：Francis turbine Guide vane Small opening CFD Flow analysis 引言水利水电工程中涉及大量的水力学问题，目前常用的方法为物理模型试验及数值模拟方法，长期以来，复杂流场的研究均以物理模型试验为主要手段。
小开度工况下水轮机内部流场特性数值模拟研究贾允;宫汝志;李凤臣【摘要】在根据国家“十二五”、“十三五”规划,水电将成为我国电力系统的重要组成部分.随着水轮机尺寸、容量的增加,水轮机稳定性将成为机组设计过程中需要优先考虑的问题.水电站飞逸试验时,曾在小开度工况出现超过可接受范围的振动,使得对水轮机小开度下的水力稳定性得到广泛关注.本文采用RNG k-ε模型对某水轮机模型小开度工况进行了CFD分析,获得模型机外特性曲线,研究了导叶小开度状态下机组内部流场演变规律及流场特点,分析了导致流动不稳定的原因.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】7页(P54-59,64)【关键词】流体机械;流动稳定性;CFD;小开度工况【作者】贾允;宫汝志;李凤臣【作者单位】哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TK730.20 引言三峡机组在进行小开度过速试验中曾出现振动严重超出允许范围的现象[1]，蜗壳压力脉动超过水头的50%，导致机组出现强烈振动。
为了避免机组的异常振动，工作人员不得不延长导叶的关闭时间[2]。
而过长的关闭时间将导致机组转速的持续攀升[3]，对安全运行及辅助设备性能保证产生威胁，从而带来并网困难。
另一方面，在国家“十二五”、“十三五”规划指导下，作为优质清洁的可再生能源，水电将成为我国电力系统的重要组成部分[4]，当前以乌东德、白鹤滩等为标志的巨型水电机组已启动开发。
因此有必要通过理论研究和数值计算方法对小开度工况下水轮机内部流动细节进行分析。
通过研究水轮机流场，寻求避免水轮机异常振动的有效方法。
早期针对过渡过程的计算只局限于图解或解析等近似算法[5]，当前，水轮机过渡过程计算与计算机应用深入结合，多采用Streeter和Wylie提出的特征线法[6,7]。
基于 Fluent 的节流阀油液空化流场数值分析李贝贝;刘秀梅;龙正;贺杰;李文华【摘要】基于计算流体动力学方法，数值研究了节流阀开度变化对节流阀内油液压力场、速度场及空化区域的影响。
流道内压力较大区域位于上流道，压力较小区域位于下流道。
节流口处压力梯度随阀口开度减小呈增大趋势；液压油低流速区分布在上游槽底部、阀芯顶端及阀腔拐角处。
随着阀口开度减小，在通流截面积和油液黏性阻力共同作用下，通过节流口处流体流速呈先增大后减小趋势；在上游阀座底部、阀芯顶端处、阀腔拐角附近存在三个回流区，该回流区面积随阀口开度减小而减小；由于节流口处气体体积分数较高，因此空化初始位置位于节流口阀座附近，下游空化区则是游离性气泡群造成的。
此外，随着开度进一步减小，空化强度呈先增强后减弱趋势，空化区域也呈先扩大后缩小趋势。
%Based on computational fluid dynamics,characteristics of cavitation flows in a throttle valve with different openings and pressures were studied.The influences of openingon flow pressure,flow velocity and cavitation region were also investigated.The numerical results showed that the maximum pressure is located at the upstream of the flow channel,and the minimum pressure is located at the downstream of the flow channel;the pressure gradient for oil flowing increases with decrease in opening;the low-velocity regin of oil isat the top of valve rod,the corner of the channel and the corner of the valve seat;with decrease in opening,the oil flow velocity passing through the port increases firstly and then decreases under the action of cross-sectional area and oil viscosity;there are three recirculation zones at thetop of valve rod,the corner of the channel and the corner of the valveseat,they all decrease with decrease in valve opening;the cavitation initial position is near the valve seat,and the cavitation region at the downstream is caused by uncombined bubble clusters;in addition,with decrease in valve opening,both the cavitation intensity and cavitation region increase firstly and then decrease.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2015(000)021【总页数】5页(P54-58)【关键词】节流阀;流场分析;空化;数值模拟【作者】李贝贝;刘秀梅;龙正;贺杰;李文华【作者单位】中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116;中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116; 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，杭州 310027; 中国矿业大学江苏省矿山机电装备重点实验室，江苏徐州 221116;中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116;中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116;中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116【正文语种】中文【中图分类】TH137;O359液压技术利用液体压力能进行能量传递，具有动作迅速、功率密度大、运动平稳、易于实现过载保护等诸多优点，在工业中已取得了广泛的应用［1－3］。
文章编号：1005 -0329(2016)07 -0014 -04^c c c c c c c c c c^f设计计算I!非全周矩形开口滑阀小开口度时流量及液动力特性研究杨科，金晓宏，肖鹏飞，唐文(武汉科技大学，湖北武汉430081)摘要：电液伺服阀作为液压控制系统的核心元件，其性能的好坏直接关系到控制系统的特性。
采用计算流体动力学 软件Fluent中动网格技术,对伺服阀滑阀阀口在0. 5m m开度内的流动状态进行静、动态仿真，研究其流量与液动力特 性。
从计算结果可以看出，阀口流量特性仿真曲线与理论曲线在趋势上基本相同。
阀芯所受稳态液动力仿真值与理论 值增长趋势基本相同。
仿真时，阀口开度按给定速度连续增大，阀口打开瞬时,瞬态液动力变化大；阀口打开后,瞬态液 动力变化不大,且瞬态液动力数值较稳态液动力小得多。
关键词：非全周矩形开口滑阀;小开口度;动网格;流量特性;液动力中图分类号：TH137 文献标志码： A doi： 10. 3969/j. issn. 1005 -0329.2016.07.004 Research on the Characteristics of the Flow Rate and Flow Force Through a Small Opening at the Spool Valve with Non-full Perimeter Rectangular Shaped OpeningYANG Ke,JIN Xiao-hong,XIAO Peng-fei,TANG Wen(Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081 ,China)Abstract：Electronic-hydraulic servo valve is a key component of hydraulic control system,and the characteristic of the control system is determined by the performance of the servo valve. The dynamic mesh of Fluent,software of CFD,is employed to calculate the flow of the opening of spool valve of the servo valve in the steady state and dynamic state in the range of 0. 5mm opening in order to get the flow characteristic and flow force. The results show that the theoretical curve and simulation curve of flow characteristic of spool valve are almost the same. The theoretical curve and simulation curve of steady-state flow force of spool valve have no difference in the shape. With the condition of the continuous increase of opening of spool valve at a given speed in the simulation, the transient-state flow force increases greatly at the moment when the valve just open and it has a little change at the left time. The transient-state flow force is much smaller than steady-state flow force.Key words ：spool valve with non-full perimeter rectangular shaped opening ； small opening ； dynamic mesh ； flow characteristic ；flow forcei前言近年来，越来越多的国内外学者采用计算流 体动力学（CFD)方法分析液压阀内部流体的速度 分布、压力变化、能量损失以及阀口的气穴现象…5]，目前研究工作主要集中在2〜5mm这一较大阀口开度的情形[6’7]。
节流阀数学模型摘要：一、节流阀简介1.定义与作用2.常见类型二、节流阀的数学模型1.基本方程2.参数分析3.应用案例三、节流阀数学模型的应用1.工业生产中的节能降耗2.能源管理3.优化调度四、节流阀数学模型的研究意义1.对经济发展的贡献2.促进科技创新3.社会影响正文：节流阀是一种流量控制装置，通过改变阀门的开度来调节流体的流量。
节流阀广泛应用于各种工业领域，如石油、化工、冶金、电力等，对于保证生产过程的稳定性和安全性具有重要作用。
一、节流阀简介1.定义与作用节流阀，顾名思义，是一种通过节流来控制流量的阀门。
它通过改变阀门的开度，限制流体的通过量，从而实现对流量的控制。
节流阀在工业生产中具有重要作用，如调节系统压力、保护设备、稳定流量等。
2.常见类型节流阀的种类繁多，常见的有手动节流阀、浮球节流阀、热力节流阀、电子节流阀等。
各种类型的节流阀在结构、原理和应用领域上有所不同，但都遵循相同的节流原理。
二、节流阀的数学模型1.基本方程节流阀的数学模型通常采用伯努利方程、连续性方程和能量方程等基本方程来描述。
这些方程反映了流体在通过节流阀时的压力、速度和能量变化规律。
2.参数分析节流阀数学模型中的参数主要包括阀门开度、流体密度、流速、阀门阻力等。
通过对这些参数的分析，可以得到节流阀的工作特性，从而为实际应用提供依据。
3.应用案例在实际工业生产中，节流阀数学模型被广泛应用于流量控制、压力调节、设备保护等方面。
例如，在石油化工生产中，通过节流阀数学模型可以实现流量的精确控制，降低能耗，提高生产效率。
三、节流阀数学模型的应用1.工业生产中的节能降耗节流阀数学模型在工业生产中可以实现流量的精确控制，从而降低能源消耗，提高生产效率。
这对于我国工业生产实现节能减排具有重要意义。
2.能源管理节流阀数学模型在能源管理领域也有广泛应用，如城市燃气、电力等能源的调度和管理。
通过对节流阀的优化控制，可以提高能源的利用效率，降低能源消耗。
液压滑阀流动特性分析杨秀萍1，2，陈炜2，郭津津2（1.天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津300384；2.天津理工大学机械工程学院，天津300384）来稿日期：2013-01-05基金项目：天津市自然科学基金项目（033700211）；天津理工大学教学改革项目（YB11-31，YB11-30）作者简介：杨秀萍，（1962-），女，天津市人，硕士，教授，硕士生导师，主要研究方向：流体传动与控制的教学与科研工作1引言随着科学技术的迅速发展及工业水平的提高，对液压系统的性能要求越来越高，从而对液压元件的设计、制造也提出了更高的要求。
滑阀是换向阀常用的形式，阀口的结构及开口量决定了阀内流体的流动情况，对阀的流量特性、冲击及噪声有重要影响，特别是当滑阀作为电液伺服阀的功率级使用时，其流量特性直接影响并决定了伺服阀的性能。
由于实际使用的滑阀结构和尺寸多种多样，液流在滑阀中的流动状态无法观测，而通过试验对影响液流流态的各种因素进行全面研究十分困难[1-2]。
目前，在液压元件的分析与设计中，广泛采用仿真软件来分析流场的流动特性，以便对产品进行优化设计，改进工作性能[3-4]。
采用计算流体动力学（CFD ）方法，基于Fluent 软件，研究液压滑阀的流动特性，得到阀内流体的速度、压力分布，阀口流量特性以及阀芯受力等结果，为深入了解滑阀的工作机理，对结构进行优化设计具有重要意义。
同时，应用计算机仿真，可以使设计者将更多的时间用于分析、优化设计方案，提高设计质量，降低成本，缩短研究周期，提高设计效率。
2滑阀的有限元模型以某液压滑阀为研究对象，结构如图1（a ）所示，有两个左右对称的阀腔，且为轴对称结构，为减少计算工作量，取其单个阀腔建立轴对称模型，进行网格划分，为提高阀口过流截面处的计算精度，此处网格局部加密[5-6]，如图1（b ）所示。
设滑阀的额定流量1000L/min ，液压油密度850kg/m 3，动力粘度0.0085Pa ·s ，阀口开度Xv 为（0~3）mm 。
不同开度下水阀的数值分析江帆;徐勇程;陈江栋;卢浩然;陈玉梁;祁肖龙【摘要】为了解水阀内部流动状况,采用RNGk-ε湍流模型和SIMPLE算法,对所选水阀在不同开度下进行数值模拟,得到阀内的压力、速度和湍流耗散率.模拟结果表明,在进口压力为0.09 MPa的仿真工况下,开度为20％时,阀内出水段相较其他开度压力值较小且稳定;随着开度的增大,阀内喉部处的压力梯度增大,出水段X方向压力波动增大.阀内速度最大处为喉部区域,此时,低速区域范围最大,随着水阀开度的增加,喉部周围区域速度增加,流场中低速区范围减小.流线结果显示阀芯处漩涡一直存在,与水阀开度大小无关,而出水段靠近喉部的顶端处漩涡的存在与水阀开度有关,开度增大时,其漩涡的范围是增大的,且由流线图可得流场内流束的集中区域为水阀内出水段顶部;出水段流场湍流耗散率的相关数据表明,随着水阀开度的增加,流场中湍流耗散率也是增加的.本数值结果为优化阀内流道结构提供了参考数据.【期刊名称】《广州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(017)004【总页数】8页(P73-80)【关键词】水阀;数值模拟;流场;开度;湍流耗散率【作者】江帆;徐勇程;陈江栋;卢浩然;陈玉梁;祁肖龙【作者单位】广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006;广州大学机械与电气工程学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TH134在日常生活和工业生产中，阀门在流体类领域扮演着不可或缺的角色.不同类型的阀门在不同场合均有着各自的作用.水龙头作为阀门的一种，在日常生活中，为人们的用水提供了极大的便利；安全阀作为阀门的一类，在工业生产中促进生产和保障安全工作起着重要的作用；同时，阀门的内部流道结构也与生产生活使用过程中的能量损耗直接相关.随着社会的不断发展，人口数量的空前膨胀，节能环保已经成为全社会的共识.相应理论知识的逐步完善与层出不穷新技术在生产生活中的运用(如CFD和CAD软件的成熟)，使得采用现代设计方法对传统的有关设备进行结构的再优化早已成为可能，从而达到节能环保的目的，因此，对阀门内部流场的正确模拟与分析是提升阀门性能的关键.国内外的有关学者对阀门进行了大量细致的研究.樊达宜等[1]对内部流场结构复杂的节流管式调节阀进行了三维数值模拟，具体分析了不同阀内流场的受力情况和阀门驱动电机的功耗，通过仿真结果得到导气孔的直径大小影响电机的功率的结论，阀门导气孔直径变大时，电机功率增加，反之减小.刘斌等[2]通过对标准均质阀、射流均质阀和倒Z环均质阀等3种不同结构阀内流场进行数值研究，得到压力、速度等相关参数，通过对所得的仿真结果分析对比表明：3种阀均在其内部流道急剧变窄段压力突然降低，从而形成较大的压力梯度，在阀内流场其他段压力的变化相对较小或不变，通过对压力和其他参数的分析，可从增强微细化作用入手达到优化均质阀结构的目的.郎梼等[3]采用水锤计算方法，计算研究了闸阀、球阀、蝶阀和止回阀等4种常用阀的水锤特性，得出了当阀门闭合时间较短时，阀门类型会影响管路系统中的最大水锤压力，但最大压力出现的时刻与阀类型的关系较小的结论；对于工程上一些重要的需要进行快速关闭的阀门，管路系统的最大水锤压力值与阀门流量系数密切相关，此时需要对所选用阀门的流量系数进行专门测定.崔铭超等[4]对所选用的直角截止阀内部三维流场进行了相应的数值模拟，通过计算阀内几何形状尺寸对流场中湍动能等流动特性的影响，得到了阀门流道优化的相关结论：直角截止阀的开度需增大到阀内流道喉部有效过流直径的一半以上才能减轻湍动能；阀芯整体所受流场中激振力的降低可通过相应减小阀杆的直径来实现；阀内转角处运用导流壁可达到较为明显的降振减阻的效果.国外学者同样对阀门进行了深入研究，AMIRANTE等[5]对定向控制阀进行了仿真和实验的对比研究，验证了仿真数据在阀类研究中的精确性.SONG等[6]也采用对三维模型数值仿真的方法来观察蝶阀在不同开度时，阀内流场的流型、测量阀的流量系数和水动力扭矩系数；得到的仿真结果也与实验数据进行了对比研究，证明了数值仿真方法在阀类研究中的可行性.KIM等[7]运用CFX仿真软件研究了用在船上四冲程发动机上的通电磁阀的内部流动特性，利用这种三维模型仿真得到的结果，对在工业应用中的电磁阀进行合理的设计起到了很大的作用.AN等[8]通过对高压降控制阀内不可压缩流体的湍流进行分析，对阀内压降、空穴对流场的影响和流量系数进行了研究.BEUNE等[9]验证了阀的数值模型有效性，并对高压安全阀的过流能力和开度特性进行了研究.CHATTOPADHYAY等[10]对压力监测阀中流体的流动过程进行了计算研究，分析了可压缩流体的湍动特性.数值仿真方法的可行性在前述学者中已得到了充分的验证，本文采用此种方法，运用Fluent 18.0流体分析软件对所有阀门在不同开度下进行仿真.模拟仿真中选用RNG k-ε湍流模型和SIMPLE算法，以有限体积法对所选阀作空间离散，对不同开度下的流场内部压强、速度等仿真数据进行分析对比.1 数值模型与仿真条件1.1 控制方程连续性方程即为通常所说的质量守恒方程，质量守恒定律是流体力学中最基本的定律：在单位时间内，某一特定平面上流入的流体质量与流出的流体质量相等，得到流体运动时的质量守恒微分方程如下：+▽·(ρV)=0(1)式中,表示的是空间某一点处质量的增加量；▽·(ρV)表示的是流出该点的质量.动量方程即为熟知的动量守恒方程，如果一个系统不受外力或所受外力的矢量和为零，那么这个系统的总动量保持不变，此结论叫做动量守恒定律.根据动量守恒定律，取任一封闭的流体空间，该体积流体的动量变化率等于作用在该体积流体上的质量力和表面力之和[11-12].=▽▽(▽·V)(2)式中,为流体的动量随时间的变化，或称惯性力项；b为体积力项；▽p为压力差相；▽(▽·V)为粘性力项[13].由于仿真所采取模型的尺寸较小，仿真环境为常温，故在仿真的过程中可认为其与外界没有热交换，因此，本文的控制方程中无能量方程.1.2 模型建立和网格分析通过从企业拿到的水阀三维模型，在Proe5.0中查看其外形和剖面模型示意图，见图1.运用Workbench 18.0中几何模块自带的DesignModeler软件中的Fill命令，对水阀进行处理得到水阀内部流场模型，图2为水阀流道示意图.图1 水阀剖视图Fig.1 Water valve section图2 开度为60%时水阀流道模型Fig.2 Water valve channel model with 60% opening本文所选水阀阀芯处以活塞的上下运动来实现水阀的开启或关闭，阀内入水处不是水阀内部整个空心部分，而是通过外接的入水管实现，本文中入水管直径为10 mm，选用的仿真模拟入水管流道高度为50 mm；将上述生成的流道模型导入Proe5.0中，运用分析菜单栏中的测量工具可得到水阀各处尺寸，出水口直径为8.5 mm；水阀最大高度为115 mm；阀芯中心线距离出水口水平距离为50 mm. 为了后续模拟仿真，需要对所创建的流道进行网格划分[14]，以便仿真软件能对水阀流道内部流场进行较为准确的计算.本文网格划分采用Workbench 18.0中自带的Mesh模块，采用六面体为主的网格划法.一般而言，网格尺寸大小对仿真精度有着直接的影响，但网格尺寸过小，使得整体网格数量急剧增加，不仅对电脑配置的要求更高，而且也大大延长了计算时间；更为重要的是，在同一工况下，网格尺寸在某一合理值时，其仿真结果就已经接近实验或真实计算值，因此，网格尺寸越小越好并不是一个明智而且合理的选择，这也表明了需要对不同网格尺寸进行分析对比，找出最佳网格尺寸的必要性.本文对开度为60%的水阀在入水口压力为0.09 MPa下进行仿真，以水阀出水口流量为对比标准，对不同网格尺寸进行了合理性分析，得到了表1所示的数据.表1 水阀网格尺寸分析Table 1 Mesh size analysis of water valves尺寸/mm 网格数节点数扭曲度流量/(kg·s-1)0.9051 29355 0950.280.284 340.7568 98672 9160.270.286 320.60120 239127 2690.240.288 410.50170 9041798240.220.291 680.45234 184245 1450.200.292 37从表1可见,随着网格尺寸的减小，网格数和节点数不断增加，网格质量评价指标扭曲度Skewness也不断减小，说明网格质量有所提升，但网格尺寸为0.50 mm 和0.45 mm时，出水口流量为一相对稳定值0.292 kg·s-1，因此，水阀网格尺寸选用0.50 mm即可满足仿真要求，图3为水阀的网格示意图.图3 流道模型的网格划分Fig.3 Meshed model of the channel1.3 仿真条件模拟过程中选用流体介质为液态水，其动力粘度为0.001 003 Pa·s，密度为998.2 kg·m-3，按不可压缩流动进行处理；仿真初始条件选为压力进口，压力值为0.09 MPa，出口条件设置为压力出口，压力值为0 MPa；除了水阀进出口为压力选项设置，模型其余面默认设置为壁面.通过计算可得在上述5种工况下流道内的雷诺数大于105，整个流场处于湍流状态，所以启用湍流模型，本文中使用标准的RNG k-ε湍流模型，该模型用于模拟阀内流道的精确性已经被XU等[15]证明；流场求解选用默认的压力修正SIMPLE算法，空间离散化中，动量、湍动能和湍流耗散率采用二阶迎风格式，水阀流量标准参照国标陶瓷片密封水嘴GB/T18145-2014[16].2 结果分析2.1 流道内压力分析图4所示为进口压力0.09 MPa下不同开度水阀流道内的压力云图(为便于后续分析，本文中将阀芯至出口段处的突变截面命名为喉部).从图4可见，水阀流道内进口处至阀芯处压力值均较为稳定；由右侧各局部放大云图可见，随着开度的缓慢增大，阀芯处的压降区域面积缓慢向左扩大，压降梯度更为明显，从压力值上反映出来即是：当水阀为20%的开度时，流体静压从0.09 MPa迅速降低到0.05 MPa，从图4云图可见，20%开度时，0.05 MPa所示的云图面积最大，随着水阀开度的逐渐增大，此压强所示的面积区域逐渐减小；而且在20%的开度时，由局部放大图可以看到阀芯至喉部处形成了一个压力为0.03 MPa 的介于0.08 MPa～0.05 MPa的低压区域，这种压力骤然变化的区域，极易形成涡旋从而消耗流场内部能量.从20%开度的压力云图中仍可见，阀芯左侧的云图显示有一个压降区域，随着开度的逐渐增大，压降区域消失，但开度增大到100%时，低压区再次出现，而且相比20%开度，低压区的位置有所上移.(a)20%开度；(b)40%开度；(c)60%开度；(d)80%开度；(e)100%开度图4 不同开度下阀内压力云图Fig.4 Pressure contour inside valve with different opening图5为出水段X方向压力变化曲线图.图5 出水段X方向压力变化曲线Fig.5 Pressure variation curve with X direction in outlet section图6为不同开度下各面压力变化曲线图.图6 不同开度下各面压力变化曲线Fig.6 Pressure variation curves with different openings从压力云图6中可见，当流体经过喉部后，20%开度下的水阀出口段流道内压力云图分布相较其他开度下的更为均匀，即20%开度出口段流道内压力变化不大，这也可以从图5所示的出水段X方向上压力变化曲线中直观的看到；而且从图5中可知，随着开度的逐渐增加，水阀出水段流道内X方向上压力值是逐渐增加的，这与图4中流道内的压力云图的分布也较为一致；同时，从图5的曲线图中可见，不同开度的水阀均在X方向12 mm左右的位置处存在压降，这也与压力云图中流体流经喉部处存在一个低压区的仿真结果一致；同时图5中的X方向压力变化曲线也表明当开度超过20%时，流道内压力值增大的同时，波动也会增大，如图中所示100%开度下压力的波动最为显著；图6所示为不同开度下流道内入口、出口、喉部和出口段中间面4个不同位置的压力变化曲线，由图中曲线各自所处位置的数值大小可见，随着流体在水阀内的流动，压力总体上是随着流道的长度而逐渐降低的，这和管内沿程压降的理论十分吻合，这也说明了本次水阀流道仿真模拟的有效性.2.2 流道内速度和湍流耗散率分析由2.1节的分析可得：不同开度下水阀内的压力分布不同，且由伯努利方程可知，压强的分布对流场内速度的影响也是显著的.图7所示为不同开度下的阀内速度云图，最大速度所在区域是压力梯度变化最大处，此验证了伯努利方程中压强与速度近似成反比的数值关系.从图7云图中可知，水阀内速度最大区域为喉部所在区域，且随着开度的逐渐增大，速度较大区域的面积也逐渐增大，且由喉部向出口段流道左移；同时，阀内低压区的面积在开度为20%时最大，近似水平分布在喉部至出口处的流道内；随着开度的增大，阀内低压区面积逐渐减小，一部分低压区上移至水阀左上部，一部分右移至水阀出水口处；且从阀芯处的速度云图可知，随着水阀开度的增大，阀内低压区逐渐由阀芯中间向左移.从图7中不同开度下阀内流线图可知,当开度为20%时，阀内的涡旋区域主要集中在阀芯左边，且流体主要从出水段下部流过，说明此时流体对壁面的剪切力主要集中在出水段下部；当开度增大到40%时，阀芯内左端涡旋减小，但在流体经过喉部后出水段阀内上部产生了较小的涡旋区域，此时从出水段流线可得，流体主要由出水段出水口处顶部流出，此时壁面剪切力最大处便存在此区域；当开度为60%时，阀芯左端涡旋区域产生了多个漩涡，在经过流道喉部值水阀顶部处的漩涡区域变大，且此时流场中流束最集中处由40%开度的阀内顶部向阀内底部有些许移动；当开度为80%时，阀芯左端仍然存在多个漩涡，且阀芯下部漩涡逐渐变大，而上部漩涡逐渐变小，过喉部至出水段顶部产生了多个漩涡，且最上部漩涡区域相较上述开度有明显增大，此时流场中的流束又缓慢上移至阀内顶部；当开度为100%时，阀芯左侧下部漩涡不断增大的漩涡将上部漩涡吞噬，经喉部至出水段顶部的漩涡区域相比80%的开度有所减小，但在出水段中间靠近水阀底部处产生了新的涡旋，此时流道内流束集中在靠近出水口的顶部，且流束集中的区域相比上述开度有所减小.(a)20%开度；(b)40%开度；(c)60%开度；(d)80%开度；(e)100%开度图7 不同开度下阀内速度云图和流线图Fig.7 Velocity contour and streamline inside valve with different opening上述部分分析了流道内存在涡旋的区域，涡旋存在的区域会消耗流场中的动能，同时产生回流区域，使得流道阻塞和减小流道中的过流面积(图8).图8 不同开度下阀内出口段X方向湍流耗散率Fig.8 Turbulent dissipation rate with X direction in outlet section图8表明了出水段沿X方向流场内的湍流耗散率ε，ε的值代表的是湍流脉动动能的耗散，值越大表明湍流脉动的长度和时间越小，湍流强度越大，流场内越多的能量将被损耗.由图8中X方向的湍流耗散率曲线表明，开度为60%时，其湍流耗散最大区域在阀内出水段15 mm处，随着出水段水平距离的增加，其湍流耗散率逐渐降低，但100%开度下湍流耗散率随着出水段水平距离的增加而逐渐升高；流体流经喉部处和接近出水口时，湍流耗散率会增大；且随着开度的逐渐增大，耗散率会逐渐变大，同时这一现象在Palau-Salvador等[17]研究控制阀时被发现.3 结论本文用数值仿真的方法分析了常用水阀在不同开度下的流场特性，包括对流场内部压强的分析和速度分布等的讨论.通过阀内流场的压力云图和相关数据表明，水阀流道喉部处是压降最为显著的区域，而且随着开度的增大，喉部处压降梯度相较流场其他区域更为明显；当开度增大时，在出水口段X方向的压力波动和压力值范围分布变大；有压力云图可见开度为20%时，阀内出口段压力分布值较为稳定，随着开度的增大，阀内各处压力值的变化范围增大，在上述开度中，80%的开度下压力值变化的区域是最大的；同时，在阀内喉部处，云图显示有明显的低压区，随着开度的增大，从二维平面图中可见，其所在位置是向着水阀底部位置移动，体现在三维模型中时，此低压区即由流道两侧向阀底部移动，最后喉部处交汇.通过速度云图的分布可见，压力的变化趋势和速度的变化趋势是较为一致的：即在喉部处，压力的梯度最大，此时速度在这一区域的变化也是最显著的；随着开度的增大，阀内低速区的范围在减小.由流道内流线图可知，阀芯处始终存在着漩涡区域，随着开度的增大，出水段流道靠近喉部顶部漩涡由形成至增大，当阀门全开时，出水段中部形成了新的漩涡区域，漩涡的存在不仅减少了阀内过流面积，同时也大大的消耗了流场内的动能.由上述对阀内压力、速度和湍流耗散率的分析可知，流场中数值的变化显著的地方均是在流体经过喉部的前中后3个时间段发生的，因此，若想对水阀内部结构进行优化，阀内喉部处是优化的一个重要着手点.参考文献：【相关文献】[1] 樊达宜, 栾秀春. 基于FLUENT的节流管式调节阀结构优化[J]. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版), 2012, 28(5):587-590.[2] 刘斌, 吴雪, 王晶,等. 不同结构均质阀内流场的数值模拟与对比研究[J]. 工程设计学报, 2011,18(3):191-196.[3] 郎梼, 鞠小明, 杨济铖. 不同类型阀门水锤特性计算比较[J]. 东北水利水电, 2015, 33(7):49-51.[4] 崔铭超, 唐科范, 刘桦. 基于CFD技术的阀门内流道优化[J]. 水动力学研究与进展, 2010,25(4):438-445.[5] AMIRANTE R, VESCOVO G D, LIPPOLIS A. 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液压气动与密封/2012年第8期小开度节流阀流场特征及空化流动的数值分析郑智剑1，路波1，惠伟安1，徐伟1，梁冬泰2（1.国家气动产品质量监督检验中心，浙江奉化，315500；2.宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波，315207）收稿日期：2012-02-22作者简介：郑智剑(1985-)，男，浙江宁波人，助理工程师，工学硕士，主要研究方向为气动、液压系统的数值模拟、优化设计及检测技术研究。
摘要：基于两相空化流动的控制方程和湍流模型，对节流阀在小开度下的流场特征及空化流动进行数值分析。
结果表明：流体在流经节流口时，流速急剧增加，压力迅速降低至液体的饱和蒸汽压以下，形成空化。
当节流阀出入口压差增大时，出口边界流速明显提高，出口两侧的流速差异更加明显，且在低速流一侧形成涡流。
并且，出入口压力差的增加、阀门开度的减小会导致空化区域扩大，强度增加。
研究成果可为节流阀的后续优化设计和操作提供理论依据。
关键词：节流阀；流场分析；空化流动；数值模拟；空蚀文献标识码：TH138中图分类号：A文章编号：1008-0813（2012）08-0022-04Numerical Simulation on Flow Field Characteristics andCavitating Flow at Small Opening of ThrottleZHENGZhi-jian 1，LUBo 1，HUIWei-an 1，XU Wei 1，LIANGDong-tai 2（1.National Quality Supervision and Inspection Center of Pneumatic Products ，Fenghua 315500，China ；2.College of Mechanical Engineering and Mechanics ，Ningbo University ，Ningbo 315207，China ）Abstract:Based on the equation of two-phase cavitating flow and turbulence model,the numerical analysis on flow field characteristics and cavitating flow phenomenon at small opening of throttle was finished.The results showed that:the flow velocity increased dramatically when the fluid flow through the gap between the valve spool and seat.Simultaneously,the local pressure decreased rapidly lowered to the saturation vapor pressure,resulting in the formation of cavitation.When the pressure difference between the import and export of throttle valve is increased,the velocity in the outlet boundary will increase significantly,and the outlet velocity difference on the both side of pipeline becomes more pronounced.Besides,a vortex will form on the side of low flow velocity.Besides,the increasing of pressure difference between the import and export of valve or the reducing of valve opening will result in the growth of cavitaion region and intensity.The research results above can provide a theoretical basis of optimum design and operation for the throttle.Key words:throttle valve ；flow field analysis ；cavitating flow ；numerical simulation ；cavitation erosion引言节流阀的原理是利用阀芯在阀体内的相对运动来控制阀口的通断以及开口的大小，实现流量的控制。
在小开度下，阀内流体与过流部件发生高速相对运动，极易产生空化现象，破坏流体的连续性，使流场特征更加复杂[1]。
此外，空化形成的气泡在流经压力恢复区时，会发生溃灭，引发诸如材料损伤、振动、噪声等问题[2、3]。
因此，分析小开度下节流阀内部的流场特征，计算阀内空化区域的强度及范围，具有重要的意义。
本文采用节流阀的实际三维几何模型，基于两相空化流动的控制方程和湍流模型，分析小开度下节流阀内部的流场特征和空化流动特性，并研究阀口开度对空化区域及强度的影响，研究结果可为同类阀门的操作运行及优化设计提供借鉴。
1计算模型图1为三角槽节流阀内部流道示意图，由图1可知，在节流槽口附近，流道急剧变窄，会导致局部流场特征的剧烈变化，因此，在计算过程中需要对节流槽口附近的网格进行局部加密。
图2为计算模型的网格图，网格数量共计250万，当进口压力为0.15MPa ，出口压力为0.1MPa 时，将网格数量提高至500万，进行网格22Hydraulics Pneumatics&Seals/No.8.2012无关性验证。
结果表明，节流槽口处的最高流速在网格改变前后分别为11.8m/s和11.5m/s，并且其他流动参数也未发生明显改变。
因此，可以排除网格数量对计算结果的影响。
在计算过程中引入的基本假设条件为：（1）为描述空化过程，将流动方式处理为气、液两相流，并视为不可压缩流体；（2）流动过程视为恒温绝热过程。
阀内流动介质为纯水，密度为998.2kg/m3，粘度为1.003e-3kg/m-1·s-1，表面张力系数为0.0717N/m。
图1节流阀内部流道示意图图2三维计算模型的网格图2控制方程2.1连续性方程和动量方程（1）连续性方程混合流体相：坠坠tρ+ρu=0（1）蒸汽空泡相：坠（ρfν）+（ρfνu）=Re-Rc（2）（2）动量方程：坠（ρu）坠t +（ρuu）=-p+13[（μ+μt）u]+[（μ+μt）u]+pg（3）式中α=Vνapor /（Vνapor+Vliquid）———空泡相的体积组分；ρ———流体的混合密度，ρ=αρν+（1-α）ρl；s———净相变率；R=Re-Rc，其中，Re表示蒸汽生成率，Rc表示蒸汽凝结率。
2.2湍流模型由于重整化群k-ε湍流模型，即RNG k-ε湍流模型，可以较好地模拟流动的分离和漩涡，同时可以较准确地预测近壁区的流动[4、5]。
因此本文采用RNG k-ε模型对流体相进行模拟。
k方程如下：ρDkDt=坠坠xj（αkμeff坠k坠xj）+Gk+Gg+GR-ρε-YM（4）ε方程如下：ρDεt=坠j（αεμeff坠εxj）+ε[Cε1（Gk+Gg）-C2ερε]-R（5）等效粘性系数μeff为分子粘性系数μ和湍流粘性系数μt之和:μeff=μ+μt（6）2.3气泡动力学方程由空化机理可知，当空泡相与流体相不存在相对滑移时，空泡动力学方程可基于Rayleigh-Plesset方程[6]得到：R d2Rd t+3（d R）2=pB-pl-2σl-4μlld R（7）式（7）中，pB表示气泡内的压力，由蒸汽的部分压力pV和非凝结气体的部分压力p之和来描述，R为气泡的半径，ρl为液体的密度，σ为表面张力系数。
单个气泡关于空间和时间的变化由式给出：φ（r軆，t）=43πR3（8）蒸发的体积定义为：αV=φηφ（9）式（9）中，η是单位流体体积内的气泡数量。
3计算结果3.1速度场和压力场分析图3a是当入口压力为0.2MPa，出口压力0.1MPa，阀口开度为2mm时，节流阀内部的三维速度矢量图。
由图3a可知，当流体在流经阀芯与阀座的间隙时，流速会发生突变，急剧升高至23.7m/s，由此为导致当地压力的迅速降低（见图4）。
图3b为当入口压力为0.8MPa，出口压力为0.1MPa，阀口开度为2mm时，阀腔内沿y轴方向的速度矢量图，由图3b可知，在出口边界的两侧，流速呈现明显差异，出现较高速流和低速ΔΔΔΔΔΔΔΔ23流，影响流动的稳定性。
图5为出入口压力分别为0.8MPa和0.1MPa，阀口开度为2mm时，出口边界处形成的涡流。
由图5可知，随着压差的增加，因出口边界处因两侧流速差异加剧会形成范围较大的涡流，阻滞了流体的流动，影响流量的稳定性。
并且，随着压差的增大，流场中漩涡的流量和强度会进一步增加。
（a）三维（b）沿y轴方向图3阀腔内速度矢量图图4节流槽口的压力剖面图图5出口边界处形成的涡流图6是当入口压力分别为0.15、0.2和0.3MPa，出口压力为0.1MPa，阀口开度为2mm时，自节流阀口至出口处压力的沿程变化曲线。
由图6可知，当节流阀入口压力为0.15MPa时，节流口未出现负压。
当入口压力进一步增加，出入口压力差较大时，在节流口处会出现负压，导致气穴现象，破坏流体的连续性[7]。
并且，出入口压力差越大，节流口处压力的变化越剧烈，负压的强度提高，范围增加。
3.2空化流场图7为当出入口压力差为0.25MPa，阀口开度为2mm时，阀腔内部的空化区域。
气相分率高的位置，表明流体易在该处形成空化，出现气穴现象。
由图7可知，在节流口处，在阀芯头部的近壁面处出现了明显的空化区域。
当空化发展到一定程度，停留在固壁面附近的空泡不断的生长和溃灭，空泡溃灭过程中产生的高速射流和冲击波反复冲击固体壁面，会导致壁面机械强度的破坏，从而形成空蚀。
图6自节流阀口至出口处压力的沿程变化曲线图7阀腔内部的空化区域3.3阀口开度对空化的影响图8为不同阀口开度下，阀芯壁面沿程气相分率的变化曲线。
气相分率越高，说明空化越剧烈。
从图9可见，当阀口开度为2.0mm时，在阀芯壁面0～0.5mm范围内，气相分率为1。
当阀口开度为1.0mm时，在0～1mm 的范围内，气相分率为1。
