第 56 卷第 6 期2019 年 12 月化 工 设 备 与 管 道PROCESS EQUIPMENT & PIPING V ol. 56 No. 6Dec. 2019
·管道与管件·
陈宗杰
（国家阀门产品质量监督检验中心（福建），福建 泉港 362800）
摘 要：调节阀是工业生产重要的调流、调压元件，在对调节阀试验过程观测到轻微噪声，解体检查发现套筒有腐蚀。在对调节阀进行流量流阻测试的基础上，运用Fluent 对其内部流场数值模拟，对比分析试验测试结果与仿真计算结果，验证数值模拟可行性。仿真所得调节阀流场，能够可视化反映出其内部真实流动规律。通过研究调节阀流场的压力分布云图和速度分布云图，分析其内件腐蚀的可能原因，并提出相关防范措施。 关键词：调节阀；数值模拟；试验；流量；流阻；腐蚀
中图分类号：TQ 055.8；TH
134 文献标识码：A 文章编号：1009-3281（2019）06-0063-006收稿日期：
2019-05-06基金项目：福建省特种设备检验研究院科研项目（FJTJ2018022）。作者简介：
陈宗杰（1987—），男，工程师，硕士。主要从事阀门试验研究工作。
调节阀是工业系统中重要的控制元件，主要用于调节管路介质压力和流量[1-2]。在工业生产中，由于调节阀设计不合理或选型不当，导致大量的噪声产生，甚至内部零件磨损腐蚀[3-4]。本文在对某一公称直径DN25，公称压力PN16的电动调节阀（图1）进行流量流阻测试时，发现该调节阀有轻微的噪声产 生。
阀空化噪声数值分析[7-9]；沈国强等设计了具有大小窗口的套筒调节阀，采用计算流体力学软件分析阀内流体流动规律[10]。本文在对调节阀进行流量流阻测试的基础上，运用有限元仿真内部流场，对比试验测试与仿真计算结果，验证数值模拟的可行性，根据仿真
模拟直观可视的优点，通过研究内部流场压力分布云图和速度分布云图，分析调节阀内件产生腐蚀的可能原因，并提出相关防范措施。
1 流量流阻测试
1.1 阀门流量流阻测试系统
本文所采用的阀门流量流阻测试系统可检测公
图1 DN25、PN16电动调节阀
Fig.1 DN25 PN16 electric control valve
图2 调节阀套筒内件
Fig.2 Control valve sleeve fitting
将调节阀进行解体检查，发现调节阀内设套筒上均匀布置4个相同尺寸的窗口，而且观察到套筒表面出现了严重腐蚀，如图2所示。
调节阀内部介质的流动特性严重影响其使用寿命，能够准确、可视化获取调节阀内部介质流动规律，具有十分显著的工程应用价值。近年来，Taimoor Asim 等利用CFD 对调节阀进行结构优化设计[5-6]；
张希恒等采用基于流声场声振耦合的方法进行调节
第 56 卷第 6 期
· 64 ·化 工 设 备 与 管 道称直径DN15~DN500范围内的各类通用阀门及调节阀的流量系数与流阻系数，该系统由循环水源、动力系统、稳压系统、测试管路、数据采集系统、控制系统等组成，上、下游取压孔都是由同一截面上4个对称布置的取压孔汇集合成，上、下游阀取压孔与测试阀门距离分别为5倍和10倍管径，流量、压力测量仪表精度不低于1.0级，温度测量仪表分辨值不低于±1 ℃。阀门流量流阻测试系统如图3所示。1.2 流量系数和流阻系数测试结果
运用阀门流量流阻测试系统对电动调节阀进行测试。测试时，被试调节阀调至固定开度，调整下
游调节阀控制流量以符合测试要求，测试结果如表1
所示
。
1-上游阀门；2-温度传感器；3-电磁流量计；4-压力传感器；5-压差测量仪；6-上游取压孔；7-测试阀门；8-下游取压孔；9-下游调节阀门
图3 阀门流量流阻测试系统
Fig.3 Valve flow resistance test system
表1 不同开度流量系数和流阻系数测试结果
Table 1 Test results of flow coefficient and flow resistance coefficient with different opening degree
荀果相对开度R /%
进口流速v in /(m ·s -1）
净压差Δp /kPa
雷诺数Re 流量系数K V
流阻系数ζ
20 1.26394.2439 000 1.11650040 1.96364.6660 000 1.80919060 2.21196.4868 000 2.7798080 3.74154.62110 000 5.31422100
5.81
81.02
180 000
11.393
塑料表面电晕处理机4.8
2 流场仿真计算
2.1 流动控制方程
对于所有的流动，都需要求解质量守恒方程和动量守恒方程，涉及湍流问题，还需要选择求解相应的湍流模型[11]。
质量守恒方程可表示为：
t x u S i
i m i n 12222t t +==^h
/
（1）式中 ρ——密度；
t ——时间； u i ——速度张量； x i ——坐标张量；
S m —— 稀疏相增加到连续相中的质量源项，n
水冷器为维数。
动量守恒方程可表示为：
t u x u u x x u x u
x u x p F 32i j i j j j i i j i i i j i i
22222222222222t t n d +=+--+^^c h h m ;E （2）
式中 ρ——密度；
t ——时间； μ——黏性系数；
u i 和u j ——速度张量； x i 和x j ——坐标张量；
F i ——重力体积力或其他体积力源项； δij ——克罗内克符号。
标准k -ε湍流模型计算精度高，应用简单，节省计算时间，具有通用性，是最常用的湍流模型之一。标准k -ε湍流模型湍动能方程和耗散率方程可分别表示为：
.d d t k x k x k G G Y 009i i
k b M 22222t n f t tf =
+++--c m ;E （3）....d d t x k x k G G k 00914413192i
i k b 2
22222t f n f t f f tf =
+++-c ^m h ;E （4）
式中 k ——湍动能量；
ε——耗散率； ρ——密度； t ——时间； μ——黏性系数； x i ——坐标张量；
G k ——平均速度梯度引起的湍动能； G b ——浮力影响引起的湍动能；
Y M —— 可压速湍流脉动膨胀对总耗散率的
2019 年 12 月· 65 ·
陈宗杰. 调节阀流量流阻测试与流场仿真分析影 响。
2.2 流场数值模拟
解体电动调节阀，对内部流道尺寸进行测绘，运用PTC Creo 软件分别创建20%、40%、60%、80%、100%相对开度下的流道模型。为了确保仿真结果更贴近实际工况，阀前加长5倍管径，阀后加长10倍管径，确保内部流体流动具有充分发展空间[12]。电动调节阀及加长管道内部流道几何模型如图4所 示。
取进出口端部压力值，计算求取不同开度下调节阀的净压差。
2.3 流量系数和流阻系数计算结果
调节阀内腔及加长管内部介质流动要处于湍流状态，雷诺数应大于40 000，雷诺数计算公式为：
Re vd n
=
（5）式中 Re ——雷诺数；
v ——平均流速，m/s ； d ——管道内径，m ； u ——运动黏度，m 2/s 。
常温水与15 ℃水密度基本相同，取其比值为1，流量系数计算公式为：
K p
d v 9000V 2T r =
（6）
式中 K V ——流量系数；
Δp ——阀门净压差，kPa 。流阻系数计算公式为：
v p 20002
T g t =
（7）
式中 ζ——流阻系数；
ρ——常温水密度，kg/m 3。
不同开度流量系数和流阻系数计算结果如表2所示。
图4 调节阀及加长管道内部流道几何模型
Fig.4 Internal geometric model of control valve and lengthened
pipeline
运用ANSYS 软件的Fluent 模块进行流场计算，将三维流道结构模型导入进行对称设置，选取一半进行计算，以减少计算时间。进行网格划分，对流动变化剧烈区域进行加密处理，以确保计算结果更精确。检查网格最小体积为正数，选择标准k -ε湍流模型方程，采用SIMPLE 算法，设置进口流速、出口
压力边界，显示结果选取调节阀内腔流道。采用多次拾取求平均值方法，分别在不同开度下调节阀压力分布云图中拾
表2 不同开度流量系数和流阻系数计算结果
Table 2 Simulation results of flow coefficient and flow resistance coefficient with different opening degree
相对开度R /%
进口流速v in /(m ·s -1)
净压差Δp /kPa
雷诺数Re 流量系数K V
流阻系数ζ20 1.26401.68339 130 1.111508.21140 1.96306.85660 870 1.977160.44460 2.21189.64368 630 2.83677.99380 3.7494.003116 100 6.81713.449100
5.81
64.341
180 400
12.800
3.829
2.4 测试与计算结果对比验证
对比电动调节阀流量系数及流阻系数的仿真计算结果和试验测试结果，分别建立流量系数、流阻系数与开度的关系曲线，电动调节阀流量系数-相对开度测试与计算对比曲线如图5所示，流阻系数-相对开度测试与计算对比曲线如图6所示。
由图5和图6可知：电动调节阀开度越大，流量系数越大，流阻系数越小。仿真计算结果与试验测试结果变化趋势一致，并且高度吻合，仿真计算所得
流量特性基本能够真实反映调节阀内部流动，证明数值模拟可靠，仿真计算结果准确、有效，可通过研究调节阀内部流场压力分布云图和速度分布云图，分析调节阀内件产生腐蚀的可能原因。
3 内件腐蚀原因与防范
3.1 闪蒸和空化现象
调节阀阀座与阀芯间节流效应对其性能和寿命有着重要的影响，可能会形成闪蒸和空化现象。水介
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· 66 ·
化 工 设 备 与 管 道质流经阀座与阀瓣间的缩流截面，阀后压力迅速降低，速度急剧增加，当介质压力低于对应工作温度的饱和蒸气压时，部分液体介质开始汽化产生气泡，出现闪蒸现象，形成气液双相流。随着流通面积增大，下游压力回升，气泡受压缩迅速破裂凝结，出现空化（气蚀）现象，气泡破裂时能量集中在破裂点，会产生很大的冲击力。闪蒸会引起受冲刷面形成平滑抛光的外形，空化会造成流道表面或阀内件产生磨痕或腐蚀坑。
3.2 流场分布规律和内件腐蚀原因
运用Fluent 数值模拟调节阀内部流场，计算得到压力分布云图和速度分布云图。为获取更为理想的可视效果及更为直观的内部流动规律，将数值模拟结果导入Tecplot 软件进行后处理，显示结果只选取调节阀内腔流道。得到调节阀不同开度下内部流场压力分布云图（图7）和速度分布云图（图8）。
由图7和图8可知，调节阀开度越小，阀芯与阀座间区域节流效应越明显，节流区域速度、压力变
化越剧烈。流道间隙过小，介质流速迅速增大，对阀瓣、阀芯等关键内件冲刷非常厉害，由图2也可以看出整套阀芯已有磨损迹象，而套筒则已受到严重腐 蚀。
观察调节阀20%相对开度下的压力和速度分布规律，进口流速1.26 m/s ，节流间隙流速却可达15.5 m/s ，在节流出口周边，受高速介质流影响，出现了低压旋涡区域，此时进口压力440.9 kPa ，而低
图5 流量系数—相对开度测试与计算对比曲线Fig.5 Flow coefficient-relative opening curve of test and
simulation
图6 流阻系数—相对开度测试与计算对比曲线
Fig.6 Flow resistance coefficient-relative opening curve of test
and simulation
a. 20%开度压力分布云图
b. 40%开度压力分布云图
c. 60%开度压力分布云图
d. 80%开度压力分布云图
e. 100%
开度压力分布云图
图7 不同开度下流场压力分布云图
Fig.7 Cloud diagram of pressure distribution in flow field with
different opening
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陈宗杰.
调节阀流量流阻测试与流场仿真分析压旋涡区压力只有2.9 kPa ，非常容易产生闪蒸、空化现象，关键内件所受腐蚀磨损更加严重。反之，为了形成鲜明对比，观察调节阀100%相对开度下的压力和速度分布规律，进口流速5.81 m/s ，节流区域最大流速10.2 m/s ，虽然也出现了缩流，缩流位置速度也在增加，但相对平缓，此时进口压力158.3 kPa ，节流出口周边最低压力99.6 kPa ，并没有出现低压旋涡区，不会产生闪蒸、空化现象。
3.3 内件腐蚀防范
为了有效控制过流介质对调节阀内件的腐蚀，延长调节阀使用寿命。一方面，应尽可能减少调节阀在小开度下工作。可通过控制调节阀前后压差；或者更换较小口径调节阀。另一方面，应解决调节阀内部
闪蒸和空化问题。可通过内部结构设计，增设套筒节流件或多孔放射状流路等曲折路径，并借助有限元进行结构优化，以减小下游压力恢复，减轻空化破坏；或者选择高硬度材料作为内件，更能抵御气蚀和冲刷磨损。
4 结论
（1）调节阀具有调流、调压作用，在工业生产中被广泛应用，调节阀开度越大，流量系数越大，流阻系数越小，由于设计不合理或选型不当，服役过程容易造成故障损伤，调节阀阀座与阀芯间节流效应对其性能和寿命有着重要的影响，特别是在小开度情况下，节流区域压力和流速变化剧烈，容易出现闪蒸和空化现象，加剧内件磨损腐蚀。
（2）通过对比试验测试结果与仿真计算结果，验证数值模拟的准确性与可行性，仿真计算结果可以直观反映调节阀内部流场分布规律，在调节阀结构设计优化与故障分析过程中充分应用有限元技术，可以缩短产品开发周期，提高研究效率。
（3）通过正确选型使用及结构优化设计，可以有效减轻过流介质对调节阀内件的磨损腐蚀，调节阀工作过程尽量控制前后压差，减少小开度运行使用频率，结构设计时可增设曲折内流件，并加以优化，内件材料选择应以高硬度为先。
参考文献
[1] 彭健， 何世权. 高压调节阀结构改进与汽蚀仿真[J]. 液压与气动， 2019， 42（3）：120-125.
[2] 张国泰， 高英杰， 翟畅， 等. 新型负载口独立控制阀的设计与仿真研究[J]. 液压与气动， 2018， 41（10）：15-21. [3] 林永详， 张江涛， 胡永海. 600 MW 机组二次再热减温水调节阀有限元数值研究[J]. 液压与气动， 2018， 41（3）： 79-83. [4]
张城， 何庆中， 董学莲， 等. 一种电站用超 （超）临界锅炉调节阀临界流流场特性分析[J]. 液压与气动， 2017， 40（1）：6-11. [5]
Asim T ， Charlton M ， Mishra R. CFD Based Investigations for the Design of Severe Service Control Valves Used in Energy Systems[J]. Energy Conversion and Management ， 2017， 153：288-303.
e. 100%开度速度分布云图
d. 80%开度速度分布云图
c. 60%开度速度分布云图
b. 40%开度速度分布云图
a. 20%开度速度分布云图
图8 不同开度下流场速度分布云图
Fig.8 Cloud diagram of velocity distribution in flow field with
different opening
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化 工 设 备 与 管 道
[6]
Asim T ， Mishra R ， Oliveira A ， et al. Effects of the Geometrical Features of Flow Paths on the Flow Capacity of a Control Valve Trim[J]. Journal of Petroleum Science and Engineering ， 2019， 172：124-138.光固化打印机
[7] 陈修高， 张希恒， 王世鹏， 等. 调节阀空化噪声数值分析[J]. 噪声与振动控制， 2018， 38（6）：52-57.
[8]
郑忠良， 陈修高， 谭术洋， 等. 基于流声耦合的调节阀空化噪声数值预测[J]. 西华大学学报：自然科学版， 2018， 37（6）：42-47.
Flow Resistance Test and Flow Field Simulation Analysis for Control Valve
Chen Zongjie
（National Quality Supervision and Inspection Center of Valve Products (Fujian), Quangang 362800, China ）
Abstract: Control valve is the important element for controlling flow and pressure. Light noise was fo
und during the test for control valve. With disassembly inspection corrosion was found in sleeve cylinder. Then numerical simulation for inner flow field, by using Fluent, was carried out based on the results from flow resistance test for control valve. The results from the test and the simulation were analyzed and compared so as to validate the feasibility of numerical simulation. The real inner flow in control valve can be visually obtained from the flow field from simulation. The possible cause of corrosion in the valve can be analyzed by studying the pressure and velocity distributions in the valve, and then relevant countermeasure can be applied.Keywords: control valve; numerical simulation; test; flow; flow resistance; corrosion
消弧消谐柜[9]
王世鹏， 陈修高， 张希恒. 基于背压下的复合式调节阀空化现象数值模拟研究[J]. 甘肃科学学报， 2018， 30（4）：132-137.
[10] 沈国强， 秦丹丹， 吴欣， 等. 核级套筒式调节阀的流量特性
[J]. 机械设计与研究， 2019， 35（1）：113-117.
[11] 凌桂龙. ANSYS Workbench 13. 0从入门到精通[M]. 北京：
清华大学出版社， 2012.
[12] 汪志琨. 面向工艺阀门的流场仿真计算和优化设计方法研究
[D]. 成都：电子科技大学， 2017.
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