1.1  閥門參數

閥門型式：籠式閥

工作壓力：0.58 MPa

設計壓力：Class 150

泄漏等級：CLASSⅤ

主體材質：A351 CF3

規    格：600 mm

工作溫度：40 ℃

1.2工況參數(表1)

1.3工況介質

防喘振調節閥用于合成循環氣壓縮機的防喘振調節控制，介質為合成氣，其主要成分見表2

按IEC 60534標準^[1]、[2]設計閥門結構，并利用UG軟件建立三維模型。根據工業過程控制閥流通能力試驗程序^[3]、[4]的規定，閥門前后管段分別取2~6倍公稱通徑的長度。將三維模型導入ANSYS Workbench DM中反向生成流道實體模型（圖1a）。流道模型網格由ANSYS Workbench Mesh軟件劃分生成，采用四面體/六面體混合網格進行劃分，前后管道劃分六面體網格，閥體流道部分劃分四面體網格，閥瓣面與流體接觸區域網格進行了局部加密處理以使計算結果更加精確（圖1b、圖1c）。

(a)

 (b)

(c)

         （a）流道模型 (b)流道內壁 (c)網格模型

        圖1防喘振調節閥內部流道網格模型

      計算防喘振調節閥2種使用工況下的閥門開度，通過工況1、工況2下的流量系數C₁、C₂，將其代入閥門流量特性曲線中得到對應工況下的閥門開度分別為85.3%、29.76%。

（1）流場CFD模擬計算（工況1）

采用流場仿真軟件CFX對防喘振調節閥內流場進行模擬計算，以時均N-S方程為流體流動基本控制方程，以標準k-ε雙方程為湍流模型，采用具有二階精度的迎風格式，以基于離散單元中心有限體積法流域離散的方法，通過Couple耦合求解方法進行流場的速度壓力求解。

模擬計算邊界條件選取壓力進口和壓力出口，參考壓力為0.1 MPa，設定求解器的迭代步數為3000次，迭代收斂控制方程采用RMS方法，精度設置為10e^-5，并對入口流量和出口流量進行監測。介質采用工況1下的合成氣，計算工況1對應開度下防喘振調節閥的穩態流場，當殘差曲線達到收斂值或基本不變并且監測的變量保持不變時，則計算結束。

    防喘振調節閥在工況1時CFD穩態流場計算結果分析如圖2所示。(a)

 (b)

 (c)

（a）壓力云圖（b）速度跡線云圖(c)速度云圖

圖2 防喘振調節閥切片云圖(工況1)

當防喘振調節閥處于工況1對應的85.30%開度時，閥門入口、出口段合成氣流線分布相對比較均勻，流動較為平穩。流經套筒處時，因其節流作用使得流線變得混亂，且在節流部件周圍形成明顯的旋渦，中心面上最大速度為95.73 m/s。由圖2（b）可以發現在閥門的入口段，流速分布相對均勻為35.81 m/s，由于流道截面積的減小導致流體流速增加，隨后因流道截面積變大而流速稍有減小。在合成氣流經閥喉處時，因閥座與閥瓣底部之間流道截面積減小，并且受到套筒節流小孔的影響。當流經套筒時，流體壓能急劇轉化為動能，流速繼續加快，節流效果顯著。最大流速主要集中在流出套筒的流道內，由圖2（c）可知，整個流道最大流速達到71.62 m/s。

（2）流場CFD模擬計算（工況2）

采用流場仿真軟件CFX對防喘振調節閥內流場進行模擬計算，調整閥門開度，其余軟件設置同工況1。工況2下CFD穩態流場計算結果如圖3所示。(a)(b)

 (c)

(a)壓力云圖 （b）全局速度跡線云圖 (c) 全局速度云圖

圖3 防喘振調節閥速度分布云圖(工況2)

由圖3可以看出，當防喘振調節閥處于工況2對應的29.76%開度時，閥門入口、出口端合成氣流動較為平穩。流經套筒處時，流動變得混亂，且在流向改變時形成明顯的旋渦。入口段速度為15.54 m/s，分布相對均勻。流經套筒左下方拐角時，內側合成氣的流速明顯增大并沿著流動方向急劇增大，流道局部區域最大速度為24.78 m/s。當合成氣流經套筒時，由于受到套筒節流小孔的影響，流線分布變得混亂，流體壓能急劇轉化為動能，流速繼續加快，節流效果明顯。最大流速主要集中在流出套筒的流道內，由圖3（c）可知，整個流道最大流速達到49.55 m/s。