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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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。