對于直角回轉閥門而言，扭矩是指轉動閥門的關閉元件（閥球、閥瓣、旋塞）或將其保持在特定位置所需的力矩。確定閥門的扭矩，對決定執行器的規格相當重要。與轉軸總扭矩相關的主要因素包括閥座、軸承、填料摩擦力矩，以及流致液力扭矩。本文將探討如何利用CFD（計算流體動力學/流體仿真技術）計算液力扭矩。

液力扭矩（Td）是一種由流體導致的，而且是純粹因流體作用在閥門轉動零件上而產生的扭矩。液力扭矩是和以下各項都相關的函數：閥門設計、閥門開度、壓降和流體方向（對偏心閥而言）。業界通常的做法是利用液力扭矩系數（Cdt）計算相關運行壓力下的液力扭矩。

液力扭矩系數是液力扭矩的無量綱表達式，它是閥體兩端靜壓降和閥門尺寸決定的。液力扭矩系數的計算公式：

按照常規做法，動態扭矩（和流量）系數是通過閥門流量回路試驗來確定的。該試驗通常以水為試驗介質，在均衡的行進流速，且完全湍流（全紊流）、無空化流的條件下，在長而直的管道中進行。

液力扭矩的計算方法是開啟扭矩和關閉扭矩的平均值，因為這兩個扭矩值相加，可以抵消掉摩擦扭矩。壓降的測量規程是上游側距閥門端口兩倍閥門直徑，下游側距離閥門端口六倍閥門直徑，分別在不同流率條件下，針對不同的閥門開度進行測量。

對于大型高壓閥門，由于缺乏專門的試驗設施，其動態扭矩是通過等比例縮小的產品原型估算的。但隨著電腦技術的發展，可以利用計算流體動力仿真軟件判斷各種流體系數。

計算流體動力仿真技術

過去數十年來電腦技術不斷地飛速發展，計算流體動力（CFD）已經成為工程設計的重要工具。CFD利用數字技術解算流體流動方程，不需要閥門的實體模型。流體的流動可以用電腦計算實現模擬。流體動力仿真模擬的步驟通常如下：

預處理

·  通過CAD軟件的幾何參數獲取流體體積信息。

·   將相應體積的虛擬流體分割成有限數量的單元，以便用數字方式解算流體流動方程。

·  設定模型的邊界條件。

解算

·  利用高性能電腦進行迭代計算，解算數字化的流體流動方程。

后期處理

·   最后通過后期處理，獲取仿真計算的量化數據。

計算流體動力（CFD）技術利用有限單元或有限差分法，迭代解算偏微分形式的控制方程（驅動方程），從而獲取流速、質量流量、壓力、溫度、湍流等參數，以及其它流體特性參數。這種數字仿真技術需要先將流體分割成有限數量的單元，以數字形式解算每個單元對應的偏微分控制方程，從而獲知特定參數條件下，特定變量的近似值。

強大的工具

圖1：流體應力作用在閥瓣上某個有限元的表面。圖片來源：simulationHubAutonomousValveCFD

圖1表示的是粘度和壓力作用在某個有限元表面，以及應力作用點與閥瓣轉軸之間的徑向距離。在特定的開度下，通過計算轉軸受到的總粘度扭矩和壓力扭矩，我們就能獲知作用在閥門動部件上的總扭矩。

“i”是接觸到閥瓣的流體單元數量，Fpressure（壓力）和Fviscous（粘度）分別是作用在閥瓣表面單元上的壓力和粘滯應力。“r”是閥瓣表面單元與轉軸之間的徑向距離?！皏”是流體的動粘滯率（運動粘度）?！皃”是流體密度，“u”是流體流速，“x”是流動方向上的表面線性尺寸?！癆”是表面單元的表面積。

Fpressure（壓力）和Fviscous（粘度）分別是作用在閥瓣表面單元上的壓力和粘滯應力?！皉”是閥瓣表面單元與轉軸之間的徑向距離。“v”是流體的動粘滯率（運動粘度）。“p”是流體密度，“u”是流體流速，“x”是流動方向上的表面線性尺寸。“A”是表面單元的表面積。

計算流體動力（CFD）技術看來的確是強大的工具，能估算出液力扭矩和性能系數，但它并不是所有人都能輕松駕馭的。傳統的CFD技術需要有相關技術的支 撐，比如流體體積提取、網格劃分、設置邊界條件。此外還需要進行后期處理，以便獲得準確且有用的結果。另外，CFD仿真軟件需要高性能電腦的支撐。

案例分析

下面將用CFD技術研究蝶閥在若干情況下的液力扭矩系數。

案例1：基于閥門偏心度

一臺同心蝶閥和一臺雙偏心蝶閥，兩者尺寸相同。自20°至90°，每次間隔10°，依次計算兩臺閥門在不同開度下的液力扭矩系數。

仿真模擬的結果（見圖2）表明，同尺寸的同心閥和偏心閥，它們的液力扭矩系數是不相同的，而且最大值大約發生在開度60°至80°之間。由此可見雙偏心蝶閥的扭矩是大大小于中線蝶閥的。

案例2：基于流向

對于同心蝶閥而言，Cdt（液力扭矩系數）曲線特性和流向之間沒有關聯，而且不會隨流向改變而改變。但雙偏心蝶閥的情況就不同了，由于其獨特的幾何結構，一旦流體方向從閥座側變為閥軸側，Cdt就會急劇改變。仿真分析的結果（見圖3）表明，偏心蝶閥的Cdt是由流體的流向決定的。此外，當開度在80°左右，流向為轉軸上游方向時，Cdt會急劇改變。

案例3: 朝向和彎頭

液力扭矩純粹是由流體作用在閥瓣上產生的，因此如果上游流體受到任何干擾，就會大幅改變液力扭矩系數。上游流體受干擾的原因主要是管道元件（例如彎頭、泵、三通接頭等）。下圖是蝶閥和彎頭在三種不同安裝配置下的不同表現。顯然，液力扭矩系數和閥門朝向、彎頭和閥門轉角密切相關。

自主CFD

對于上述種種技術要求，自主CFD可以利用智能算法和云電腦集群，自動完成上述所有步驟（CAD模型清理、流體體積提取、網格建立、解算、后期處理）。如此一來，設計師可以集中精力研究零部件的設計，所有的CDF步驟都由智能算法獨立落實。專門為閥門設計師開發的simulationHub閥門自主CFD，就是這樣一種工業專用的自主CFD應用軟件。使用時只要將設定的幾何形狀和參數輸入電腦，例如閥門開度參數和流體流向等，然后就可以運行軟件了。與之配套的還有專門開發的一款app，可以將不同開度時的仿真結果用Cv、Kv和Cdt的形式表達出來。

總結

上述案例表明，閥門的液力扭矩系數是由多項因素共同決定的，包括系統狀況、閥門設計、閥瓣位置和轉動角度等。而傳統的流量回路試驗雖能判斷操作扭矩，但對閥門設計師而言，它的分析能力還是缺乏足夠的深度。

顯然， 計算流體動力（CFD）技術不僅能解算動態扭矩，還能在閥門投產前分析出設計中的差錯或不足之處。不僅如此，CFD技術還在不斷發展，例如基于人工智能的自主CFD，以及更強大的計算能力等。可以預見，閥門設計將會迎來革命性的進步