调节阀动态特性的数值模拟

煤气化核心调节阀的结构优化及数值模拟中国泵业网引言调节阀又称为控制阀，是过程控制系统顶用动力操纵去改变流体流量的装置，跟着自动化程度的不断进步，调节阀已广泛地应用于冶金、电力、化工、石油等领域。

在化工出产过程中，一个工艺过程的控制是否平稳，超调量、衰减比，扰动是否在划定的范围内，除了工艺设计公道、设备提高前辈外，重要的一点就是调节阀能否按照主体控制意识正确动作，从而精确地改变物料或能量。

假如调节阀的流量特性差、渗漏大、动作不可靠，就会使自动控制过程的质量变差，甚至失去调节作用，从而增加了劳动强度，给出产带来重大的经济损失。

而航天煤化工系统中的主氧路氧气调节阀，系统对其调节的不乱性，可靠性及敏捷度有着更高的要求。

因此，调节阀机能的进步对流程工艺效益的进步以及能源消耗的降低有着重要作用。

近年来，跟着计算流体动力学（简称CFD）软件的发展，通过CFD数值模拟来研究调节阀的流量特性并用来优化设计方案在阀门行业已开始应用。

CFD 技术在阀门设计中的应用使得阀门的结构设计更趋于公道，更有助于我国阀门行业开发新产品，加快缩小与国外差距的步伐。

1调节阀的结构及流道模型的建立文中以航天煤化工系统中的主氧路氧气调节阀为研究对象，其为笼式单座调节阀。

该模型简化后的内部结构如图1所示，公称通径为80mm，总长为337mm。

流体的活动方向为右进左出，通过调节阀芯的行程，来改变阀笼的畅通流畅面积，从而实现调节流量的目的。

利用三维建模软件Solidworks，根据流道的几何尺寸以及阀芯与阀座的装配关系，对不同开度下的流体流道分别进行三维建模，为使流体活动更充分，阀前后流道均延长1000mm。

图2所示为该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控制方程研究过程中合理假定调节阀内流体介质为不可压缩的黏性流体。

无热能交换，不可压缩黏性流体控制方程由质量守恒方程（连续性方程）和动量守恒方程（N-S方程）组成，分别为：质量守恒方程：其中，u，v，w分别是三个方向的速度矢量。

调节阀低温空化流动特性的数值仿真
梁文栋;赵梦芸;刘博;郭文君
【期刊名称】《火箭推进》
【年(卷),期】2024(50)2
【摘要】采用数值计算的方法针对某型液体火箭发动机中液氧调节阀的流场分布和空化流动特性进行了研究。

数值计算获得的阀门流通面积与液流实验数据基本吻合,验证了数值模型的准确性。

分析了球阀内部流道压力、温度、涡和空穴结构的分布特性及不同工况下的演化规律。

研究结果表明:液氧流经球阀,压力变化分为缓慢下降、急剧下降、急剧回升、缓慢下降和缓慢回升这5个阶段。

在阀芯流道内部观察到了显著的Q等值面结构。

相同压差时,水的空化数大于液氧。

空穴结构主要分布在阀芯入口,随着空化数的降低,逐渐向流道内部发展。

对于常温水,发生空化的临界空化数为1.38左右。

空穴结构的发展受空化数和热力学效应的耦合影响。

液氧温度从95 K上升到100 K时,空化数减小,名义温降增加,此时热力学效应影响起主导作用,空穴的发展受到抑制。

【总页数】9页(P98-106)
【作者】梁文栋;赵梦芸;刘博;郭文君
【作者单位】北京航天动力研究所
【正文语种】中文
【中图分类】V434
【相关文献】
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2.绕圆盘空化器空化流动及阻力特性的数值分析
3.基于数值模拟的船用核动力装置一回路某调节阀空化特性研究
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5.低温泵内空化流动特性数值研究
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供气调节阀内部流场数值模拟研究文章以过热蒸汽为介质，利用FLUENT软件对供气调节阀进行数值模拟分析，验证了调节阀数值模拟的可行性。

通过数值模拟获得了调节阀内部流场、压力场并进行了分析。

研究成果对揭示调节阀内部场分布规律，改进调节阀性能具有一定的指导意义。

标签：供气调节阀；数值模拟；流场；压力场引言调节阀是过程工业中的终端控制元件，能够完成对流量等参数的控制。

随着调节阀技术的不断发展与自动化程度的不断提高，调节阀已越来越广泛的应用于不同的工业部门。

考虑到调节阀在整个控制系统中的重要地位，对调节阀进行详尽的分析和性能上的改进，对于整个系统性能的提高具有十分重要的意义[1]。

1 调节阀的工作原理与理论流量及流量系数计算方程调节阀是一种节流元件，可以改变通过阀门的流体的流动阻力。

可根据执行机构传来的控制信号，通过改变调节阀芯的行程来改变阀芯与阀座之间的节流面积，继而通过改变阀门的阻力系数，来改变通过调节阀的流量。

对于阀门内流动的流体，可用流体力学方程来描述，伯努利方程可用来描述流动流体机械能的转换关系，应用实际工况下的流体伯努利方程式，可导出流体流过调节阀的流量公式。

相关计算公式如下。

流量系数为流体流经阀门产生单位压力损失时流体的流量，是衡量阀门流通能力的重要指标[2]。

当各量取国际单位制时，流量系数可用下式表示。

2 几何模型的建立及网格的划分本文研究的为某类型供气调节阀，其结构见图1，由结构图以及阀门型号得其各项参数为：公称压力为2.5MPa，公称通径为45mm，总长为252mm，流体从左端流入，右端流出，通过调节阀芯的高度，可以改变流通截面积，从而实现调节流量的目的。

2.1 流道模型的建立文章利用FLUENT前处理器GAMBIT三维建模软件，根据流道的几何尺寸与阀芯的位置，对流体的通道进行三维建模，而且针对不同的开度进行建模。

调节阀全开度的几何实体模型如图2。

2.2 网格划分调节阀全开度时化分网格结构，化分阀芯顶端加密网格，整个流道网格数为442211个，并进行网格无关性检验。

万方数据２０１０年第２期煤矿机电・２３・图１多功能水泵控制阀结构图１一阀盖；２一微止回阀；３一膜片；４一膜片压垫；５一过滤器；６一阀座；７一阀杆；８一主阀腔；９一主阀板；１０一缓闭阀板；１１一控制阀；１２一控制腔；１３一Ｏ型圈；１４一定位圆螺母；１５一螺塞中微止回阀保证阀门开启时间大于水泵电机启动时间，可使电机轻载启动；调节球阀可调节阀板的运动速度，实现阀门的缓开缓闭。

阀板设计成大小阀板结构，无需任何电气或液压控制装置，完全依靠自身进出口压力差，实现开泵时的缓开，停泵时的速闭与缓闭两阶段运动，有效控制管路中水流速度，避免发生水锤现象。

２数值模拟本文利用ＦＬＵＥＮＴ流体仿真软件结合动网格技术，分析阀门的启闭特性及流场分布特性阻５】。

（１）湍流模型通过计算雷诺数判断，属于不可压缩流体的湍流问题。

本文采用工程中使用最广泛的标准ｋ一占两方程涡粘模型。

其湍流状态方程为：ｋ方程：警＋警＝毒【（ｐ＋州，，ｌ吲ａｋｌ＋ｑ叩批缸ｉ缸‘Ｌ、严’矿‘／缸ｆＪ‘’占方程：警磐＋丛２ａ盟ｘｉ＝南［（肛＋尝／、考】＋ｍ缸，Ｌ、。

矿。

缸ｉＪ竿Ｇ。

一咖譬式中，毗、蚧茗；、毛为速度分量和坐标分量；ｔ为时间．ｐ为流体的密度；ｐ为运动粘性系数；胁为湍动粘性系数；Ｇ。

为平均速度梯度引起的湍动能ｋ的产生项。

模型中经验常数的取值为：Ｃ，。

＝１．４４、Ｃｚ，＝１．９２、ｑ＝ｏ．０９、叽＝１．０、盯。

＝１．３。

（２）动网格模型动网格技术是指随着流场区域的运动对运动区域网格进行二次划分，把流场区域的运动转化为网格的重构过程，而流场区域的运动方式可由用户自定义程序（ＵＤＦ）编译实现。

由于模型中阀板位移较大，且阀腔的结构不规则，所以采用非结构四面体网格划分流场的运动区域，并采用弹簧近似光滑模型与局部重划模型相结合的方法实现动网格。

（３）模型参数根据多功能水泵控制阀流道的结构特点，用ＰＲＯ／Ｅ三维制图软件建立相应的水体模型。

图２为水泵控制阀流道水体网格划分模型。

调节阀振动的特性及热力学分析调节阀是工业中常用的控制设备，其主要功能是调节、控制和保护流体介质的流量、压力和温度。

然而，在实际使用过程中，我们常常会遇到调节阀振动问题，这会严重影响设备的正常运行，并可能引发故障。

因此，了解调节阀振动的特性以及进行热力学分析，对于解决振动问题、提高设备的稳定性和可靠性具有重要意义。

调节阀振动的特性是指调节阀在运行过程中产生的振动现象的表现形式。

通常情况下，调节阀的振动主要包括以下几种类型：流固耦合振动、流固耦合自激振动、流体弹性振动和机械振动。

流固耦合振动是指流体介质与调节阀的振动相互作用所产生的现象；流固耦合自激振动是指流体介质与调节阀振动形成闭环反馈，产生自激振动的现象；流体弹性振动是指流体介质在通过调节阀时所产生的流固耦合振动现象；机械振动则是由调节阀本身的结构和运行方式所引起的振动。

为了解决调节阀振动问题，我们需要进行热力学分析。

热力学分析是通过热力学原理和方法来分析调节阀振动的原因和机理，从而找出解决问题的途径。

热力学分析主要包括以下几个方面：首先，需要对调节阀的内部流体力学特性进行分析。

流体力学特性包括流体介质的流速、流量、压力和温度等参数，以及流体介质在管道中的流动形式。

通过分析流体力学特性，可以找出调节阀振动的原因，并确定采取何种措施来解决振动问题。

其次，需要对调节阀的结构特性进行分析。

调节阀的结构特性包括阀体、阀门、阀座和密封装置等部件的材料、形状和尺寸等参数。

结构特性对于调节阀的振动稳定性和可靠性具有重要影响。

通过热力学分析，可以找出调节阀结构存在的问题，并进行相应的改进。

同时，还需要对调节阀的工作过程进行分析。

调节阀的工作过程主要包括启闭过程和调节过程两个阶段。

在热力学分析中，我们需要重点分析调节过程中流体介质的动态特性，以及调节阀所产生的振动现象。

通过分析调节过程中的振动特性，可以找出阀门的振动原因，并采取相应的措施来改善振动效果。

最后，可以通过数值模拟和实验验证等手段，对热力学分析结果进行验证和修正。

多级降压调节阀流动与空化特性研究多级降压调节阀流动与空化特性研究引言多级降压调节阀是工业过程管道中常见的一种调节装置。

它的作用是在管道系统中降低压力，以满足系统的需求。

由于多级降压调节阀在工业领域的广泛应用，研究其流动与空化特性对于提高其性能具有重要意义。

1. 调节阀结构和工作原理多级降压调节阀一般由阀体、阀芯、导向等部件组成。

其工作原理是通过调节阀芯的位置，改变阀门的开度，从而调节流量和压力。

当压力超过设定值时，阀门会自动关闭，以保持系统压力在设定范围内稳定运行。

2. 流动特性研究2.1 流量特性的实验研究为了研究多级降压调节阀的流动特性，我们设计了一套实验装置。

通过改变进口压力、流量和阀门开度，我们记录了不同工况下的流量数据。

实验结果表明，多级降压调节阀具有较好的流量调节性能。

2.2 流动特性的数值模拟为了更深入地研究多级降压调节阀的流动特性，我们采用数值模拟方法，使用ANSYS Fluent软件对其进行了建模和计算。

通过调节阀门开度和进口压力，我们得到了流量、压力、速度等参数的分布情况。

模拟结果与实验数据具有较好的吻合度，验证了数值模拟方法的可靠性。

3. 空化特性研究3.1 空化现象的观察在多级降压调节阀中，由于流体流过阀芯和导向，容易产生空化现象。

我们通过实验观察到了空化现象的发生，并记录了不同工况下的空化程度。

实验结果显示，在一定的工况范围内，空化现象对系统稳定性无明显影响。

3.2 空化机理的分析为了揭示空化机理，我们使用计算流体力学方法对流体在多级降压调节阀中的流动过程进行了模拟。

通过分析流体的速度和压力分布，我们发现在某些工况下，流体的速度超过临界速度时，容易产生空化现象。

并且空化对流体的运动状态和阻力产生了一定的影响。

结论通过实验和数值模拟的研究，我们对多级降压调节阀的流动与空化特性进行了深入的分析。

实验结果表明，多级降压调节阀具有良好的流量调节性能。

而空化现象对系统稳定性的影响相对较小。

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。

安全阀阀腔流动特性分析及数值模拟
安全阀是一种防止系统压力超过预设值而导致事故发生的装置，广泛应用于化工、石油、电力等领域。

安全阀的核心部件是阀芯，它在系统压力超过预设值时会自动开启以将多余的压力排放出去。

在阀芯开启前，阀腔中的压力和流动特性对阀芯的开启时间和稳定性有很大影响。

因此，对安全阀阀腔流动特性进行分析和数值模拟具有重要意义。

安全阀阀腔流动特性主要包括阀腔内压力分布、流速分布和壁面剪切应力分布等。

这些流动特性直接关系到阀芯的开启时间、开启速度和稳定性，而这些参数又决定了安全阀的实际工作效果。

因此，准确分析安全阀阀腔流动特性对于优化安全阀设计、提高安全性能具有重要作用。

数值模拟是研究安全阀阀腔流动特性的有效手段。

通过建立数值模型，可以模拟在不同工况下安全阀阀腔内的压力和流速分布情况，以及阀芯开启前后的流动特性变化。

这样可以帮助工程师对安全阀进行设计和优化，以提高其高效、稳定、安全的性能。

数值模拟的方法主要包括CFD计算和有限元分析两种。

CFD计算是指通过分析流体的流动行为，建立流场模型，并计算流场参数，如压力、速度、温度等。

有限元分析则是以物质固有性质（如弹性、塑性、蠕变、损伤、破裂等）为基础，研究物体内部力学行为的一种数值计算方法。

在安全阀阀腔流动特性分析中，两种方法都有广泛应用。

数值模拟的建模是进行数值模拟的基础，良好的数值模型能够保证模拟结果的可靠性和准确性。

建模中需要考虑到流体的物理特性、流动边界条件、阀芯结构等因素。

同时，建模还需要采用适当的网格、边界条件和求解算法，以获得准确的数值结果。

供气调节阀内部流场瞬态数值模拟研究文章利用自编UDF程序对供气调节阀变压差工况进行瞬态数值模拟，得到流量随进出口压差的减小而减小；在压差较小时，流量的变化对压差的变化更敏感。

利用UDF程序与动网格技术，控制阀芯的运动，对阀门的开启与关闭过程进行数值模拟分析，得到阀门内流量的变化受到阀芯形状的影响；在开度较小时，阀门内流量的变化对阀芯的运动更加敏感。

标签：供气调节阀；瞬态数值模拟；压差前言供气调节阀是一种控制调节元件，是实现管道系统安全经济输送的重要设备[1]。

对其出口压力瞬变、阀开启和关闭情况进行详细的了解，对系统的安全和经济性具有重要意义。

本文利用自编UDF程序对供气调节阀变压差工况进行瞬态数值模拟及不同时刻流场进行分析；利用UDF程序与动网格技术，控制阀芯运动来对阀开启与关闭过程进行数值模拟分析。

1 出口压力变化的瞬态数值模拟对阀门出口压力变化时的瞬态过程进行数值模拟研究，对过程中的流场进行分析。

1.1 瞬态数值模拟的条件通过阀门向储气筒充过热蒸汽，则阀门出口压力即为储气筒的压力。

阀门进口压力保持不变，为1.2MPa，过热蒸汽温度为350℃，充气过程中充气时间为39s，即阀门出口压力（储气筒的压力）在39s内由0.7MPa升至1.2MPa，充气过程结束。

在充气过程中，压力随时间的变化近似为直线变化过程。

流动时间t<39s时可用方程p=1.28×e4×t+7×e5表示出口压力随时间的变化。

当t≥39s时出口压力维持在1.2MPa。

1.2 编写UDF程序和求解设置根据以上条件编制UDF程序并对对所有区域进行初始化，迭代时间步长为0.1s，时步数为400，最大迭代数为500，设置每5个时间步，开始迭代运算。

2 计算结果及流场分析2.1 全开度流量计算全开时流量随时间变化是在39s内，随着出口压力的增大，流量呈下降趋势。

在35s（出口压力约为1.15MPa，质量流量约为0.4kg/s）内，流量下降较为平缓，在35s至39s之间，流量下降较快。

三偏心蝶阀流场数值模拟与流量特性分析偏心蝶阀是一种常用的调节阀门，其原理是通过旋转阀体来改变介质的流通面积，从而实现对流量的调节。

然而，由于偏心蝶阀的结构特殊，其流场分布和流量特性往往不容易直观地获得。

因此，数值模拟成为研究偏心蝶阀流动的重要手段之一偏心蝶阀的结构特点是阀轴与流体流动轴线不重合，即阀体开口截面的中点与轴线不重合。

这种结构使得流体在通过阀门时发生向上或向下偏转的现象，从而引起了流场的复杂分布。

为了研究这种流动现象，研究者将流场分为静态和动态两个部分进行分析。

在静态分析中，研究者通常采用计算流体力学（CFD）的方法对阀体开口截面的压力分布和速度分布进行数值模拟。

通过求解流体的连续性方程和动量方程，可以获得不同阀开度下的流场分布。

研究表明，当阀门关闭时，流体在阀体中形成压力梯度，由高压区流向低压区；当阀门打开时，流体经过蝶板时受到阻力的影响，使流场呈现出不均匀的分布。

在动态分析中，研究者通常关注流体在阀门启闭过程中的瞬态流动特性。

通过数值模拟和实验相结合的方法，可以研究阀门启闭时的压力变化和流量变化。

研究表明，当阀门打开时，流体受到蝶板阻力的影响，使流速增大，从而使得流量增大；当阀门关闭时，流速减小，流量减小。

此外，阀门启闭过程中还可能出现流动不稳定和涡脱落的现象，需要进一步研究。

对偏心蝶阀流场数值模拟与流量特性的研究有助于优化阀门结构，提高阀门的调节性能。

例如，可以通过改变阀体形状、调整阀板材料或改进阀座密封结构等方式来降低阀门的压力损失和流动噪声，提高阀门的流量调节精度和稳定性。

总之，偏心蝶阀的流场分布和流量特性是一个复杂的问题，需要使用数值模拟的方法来研究。

数值模拟可以通过求解流体的连续性方程和动量方程，获得不同阀开度下的流场分布和流量特性。

这些研究结果对于优化阀门结构，提高阀门的调节性能具有一定的理论和实际意义。

电动调节阀流量特性的测试一、实验目的1．了解电动调节阀的结构与工作原理。

2．通过实验进一步了解电动调节阀的流量特性。

二、实验设备三、实验原理电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要执行元件。

电动调节阀接受来自调节器的4～20mADC信号u，将其转换为相应的阀门开度l，以改变阀截流面积f的大小，从而改变流量。

图15为电动调节阀与管道的连接图。

图15电动阀连接示意图调节阀的静态特性Kv＝dq/du，其中u是调节器输出的控制信号，q是被调介质流过阀门的相对流量。

调节阀的动态特性Gv(s)=Kv/(Tvs+1)，其中Tv为调节阀的时间常数，一般很小，能够疏忽。

但在如流量控制如许的快速过程中，Tv有时不能忽略。

调节阀结构特征是指阀芯与阀座间节流面积与阀门开度之间的干系，通常有四种结构,即快开特征、直线特征、抛物线特征、等百分比特征。

调节阀的流量特征，是指介质流过阀门的相对流量与阀门相对开度之间的干系，因为执行机构静态时输出l（阀门的相对开度）与u成比例干系，所以调节阀静态特征又称调节阀流量特征，即q＝f(l)。

式中：q＝Q/Q100为相对流量，即调节阀某一开度流量Q与全开流量Q100之比；XXX100相对开度，即调节阀某一开度行程L与全行程L100之比。

四、实验内容与步骤本实验仅以智能外表控制为例，其余几种控制计划可模仿智能外表控制自行设计体系、组态和实验。

下图所示为实验结构图。

图16电动阀流量特性测试系统结构图1．本实验选择电动调节阀流量作为被测对象，实验之前先将储水箱中贮足水量，然后将阀门F1-1、F1-2、F1-8、F1-11全开，其余阀门全关闭。

图17外表控制电动阀流量特征测试接线图3．打开上位机MCGS组态情况，模仿“智能外表控制体系”工程再联合本实验的要求进行组态。

4．接通总电源空气开关和钥匙开关，按下启动按钮，合上单相Ⅰ、单相Ⅲ空气开关，给智能仪表及电动阀上电。

5．打开上位机MCGS组态情况，打开自己组态好的工程，然后进入MCGS运行情况，进入实验的监控界面。