運用CFD軟件對一種高壓截止閥進行了三維數值模擬，對截止閥不同的內流道結構進行流動分析。通過對典型的高壓截止閥結構進行建模，借助CFD軟件分析了閥門內部流場的流動特性，給出了優化的內流道結構的分析結果及產品設計的理論依據。

1、概述

　　截止閥的內部流道形狀結構復雜，流體流動的狀況也較復雜。工程設計中截止閥的內流道結構參數主要是參照一些設計手冊提供的經驗公式和系數估計。而設計手冊上根據以往的實驗結果歸納得出的經驗公式和系數一般并不能很準確地符合具體的產品，真空技術網(http://bjjyhsfdc.com/)認為這是阻礙閥門質量提高的重要原因。由于閥門的幾何特性比較復雜，一般很難掌握其內部流態，在設計中經常忽視閥門的流態特性，從而引起較大的能耗。CFD數值模擬技術為準確預測與分析閥門流動特性提供了一條有效的新途徑。它不受閥門形狀、尺寸和工質限制，既能提供高精度的性能預測，又能顯示流場的詳細分布，而且比實驗測試所需的費用低、周期短。

2、截止閥的物理模型

　　2.1、流域結構模型

　　高壓截止閥一般多采用鍛造閥體，流道則通過機加工完成。本文中所用計算模型的流域結構及其主要結構尺寸如圖1所示。

圖1 截止閥的流域結構

　　2.2、基本假設及模型調整

　　為便于公式推導及數值計算，本文對擴散管內部流動作如下假設，流體為連續、不可壓縮的理想流體，定常流動，擴散管入口流速均勻，流體與固壁之間無熱交換，忽略重力的影響，其他遵從流體力學一般假設。

3、數值建模及網格劃分

　　3.1、控制方程

　　本文采用標準k-ε模型進行數值模擬，其控制方程有連續性方程、動量守恒方程(N-S方程)和湍流脈動動能方程。

　　3.2、幾何建模與網格劃分

　　為保證流場流動充分，在高壓截止閥兩端均加有長度為5倍直徑的直管段。考慮流場的對稱性，為便于計算，取流場的一半按對稱計算。采用非結構化網格對高壓截止閥的流動區域進行網格劃分。利用CAD軟件建立幾何模型，模型結構尺寸如表2所示。通過ACIS或IGES文件格式導入ICEMCFD或GAMBIT中進行網格劃分處理。

表2 截止閥模型尺寸

　　3.3、邊界條件

　　設定入口為速度入口條件，出口為自由出流，模型滿足對稱條件則采用對稱邊界，固壁采用無滑移邊界條件(表3)。

表3 邊界條件設置

4、CFD計算結果及分析

　　將劃分好的網格，設置好邊界類型，導出.msh網格文件輸入到FLUENT中進行計算。在計算迭代收斂后，將計算結果進行后處理，或導出到后處理軟件中進行后處理。圖2為計算過程中的殘差收斂變化曲線監視圖。

　　1.耗散率ε2.湍動能k3.Y向-速度4.X向-速度5.Z向-速度6.連續性(質量流)

圖2 殘差收斂變化曲線

　　圖3所示為截止閥閥瓣開啟高度與其流量系數之間的關系曲線圖。隨著開啟高度的增大，流量系數呈遞增趨勢。當開啟高度達到一定值(圖中橫坐標1.0處)時，其流量系數值則不再增大，反而隨著開啟高度的繼續增大而減小。

圖3 截止閥流量系數與開啟高度的關系曲線

　　圖4所示為截止閥開啟高度與閥座直徑比為1.2時，其內部流場局部流速矢量圖。從圖中可以看出，當閥瓣開啟高度過高，對于底進上出的流向而言，閥瓣不能起到很好的導流作用，從而導致局部水力損失，影響了閥門整體性能。

圖4 開啟高度與閥座直徑比為1.2時的截止閥內部流場局部流速矢量圖

　　圖5所示為截止閥閥瓣圓角大小與其流量系數之間的關系曲線圖，從圖中可以看出圓角的存在可以提高截止閥的流量系數值，但圓角并不是越大越好，圓角越大反而不能起到較好的導流作用若以流量系數為優化目標對象，則對應閥瓣的圓角大小存在著一個最優值。此外，從圖中可以看出閥瓣的圓角大小對流量系數的影響較小，在閥門的設計過程中可以作為次要因素考慮。

圖5 截止閥閥瓣圓角半徑與流量系數的變化關系

5、結語

　　通過對典型高壓截止閥結構建模，并借助CFD軟件對其內部流場的流動特性進行了分析。結果表明截止閥的流量系數隨著閥瓣的開啟高度先增大，達到一峰值后則出現下降趨勢。此外，截止閥的流量系數還隨著閥瓣圓角大小變化呈先增大后減小的變化趨勢，且得出閥瓣圓角大小對流量系數的影響較小。通過對截止閥內部流場的CFD分析，可以對截止閥內流道結構參數的設計，提供足夠理論依據指導截止閥的優化設計，為降低工業系統中的能耗，提供理論基礎。