摘要：本文基于PERA SIM Fluid通用流體仿真軟件，以迷宮式調節閥為研究對象，分析內流場的流動特性，獲得迷宮閥常規工況下的速度分布、壓力分布以及流動變化，通過與成熟CFD的結果比對，驗證了國產仿真軟件PERA SIM Fluid的精確性和可靠性。

關鍵詞：迷宮式調節閥；流動特性；PERA SIM Fluid

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1.引言

現代過程裝備和工藝自動化控制工業領域中，調節閥又被稱為控制閥，是流體介質（氣體，液體或攜帶固體顆粒的氣體和液體）輸送過程中的調節控制的關鍵部件，也是借助動力裝置改變自身開度去控制和調節管道內流體介質的壓力、速度、流量、溫度和液位等工藝參數的重要控制元件。

迷宮式調節閥作為近年來興起的新型高性能特種控制閥，其利用復雜多變的多級迷宮流道結構的設計，增加控制閥的流阻，將高壓差流體能量均勻地消散于迷宮流道的多級節流過程中，有效解決了傳統控制閥高流速造成的沖蝕腐蝕失效等問題，極大地延長了控制閥的服役壽命。由于迷宮流道復雜的結構設計，其降壓流動特性的變化規律還未形成系統的理論體系，無法有效指導迷宮式調節閥的示范和應用。

同時，調節閥節流元件的幾何局部障礙形狀各不相同，種類繁多，邊壁條件復合多變，閥前管道湍流紊亂。尤其是本文所研究的迷宮碟片式調節閥，其節流元件迷宮流道融合了轉折、擴張、匯合和分流等局部障礙，無法通過理論公式進行計算其局部阻力系數，因此，還需要借助數值模擬或者實驗研究來解決。

2.仿真模型的建立

2.1 模型建立及簡化

直接導入stp格式的迷宮式調節閥的幾何模型，該模型為迷宮閥的封閉固體部件，閥片開度為50%，包括封閉的進出口面、閥體、閥蓋、閥座、迷宮式芯包等。由于僅研究迷宮閥內部的流動特性，為了更好地計算精度，刪除固體域，保留流體部分。

分析的整體幾何模型如圖1所示：

圖1 迷宮式調節閥的幾何模型

2.2 網格劃分

網格的劃分方式為面網格－光順－體網格。流體域面網格劃分以保持原有幾何形狀為前提，為保持網格重構時的迷宮閥的幾何特征，可主要針對閥體、芯包表面的關鍵特征等，設置全局尺寸。

面網格推薦尺寸如下：

? 內腔主要流域：10-15 mm

? 芯包流域：0.2-0.4 mm

? 出口管段流域：10-15 mm

圖2 迷宮式調節閥的面網格

體網格類型選擇多面體和邊界層的混合網格，邊界層的厚度由所需的Y+值確定，合適的Y+值要依據雷諾數及壁面處理方式來確定，在邊界層設置中，使用Y+計算器，輸入相對速度、密度、動力粘度和所需Y+值進行估算，就能獲得邊界層的第一層層高。在需要生成邊界層的壁面上定義邊界層的層數、第一層層高和增長率，生成多面體和邊界層的混合網格。最終得到的單元總數為5189621，多面體網格為4111729，網格模型如下：

圖3 迷宮式調節閥的體網格

2.3 模型、邊界設置及求解

采用穩態計算，流體類型為不可壓縮流體，密度和動力粘度值按照常溫常壓條件下的數值，參考位置選定為出口處。

圖4 通用設置

不開啟能量方程，湍流模型選擇k-ω SST。

圖5 湍流模型設置

流體材料屬性定義為水，流場進口（計算域進口）邊界條件設置為質量流，大小設置為17.63kg/s。流場出口（計算域出口）邊界條件設置為壓力出口，相對壓力設置為0 Pa，其它邊界都為無滑移壁面。

圖6 材料屬性、邊界條件設置

求解方法選擇耦合算法，時間離散勾選“偽瞬態方法”；采用標準初始化方法，初始壓力改為101325Pa；收斂標準默認，計算過程中監測入口壓力。

圖7 求解算法設置

偽時間步長設置為0.001s，迭代步數3000步，可以設置計算過程中自動保存數據的間隔，輸出額外變量總壓。PERA SIM Fluid支持本地和遠程并行計算，設置合理的并行核數求解計算。

圖8 求解參數設置

3.計算結果分析

PERA SIM Fluid提供了全面的后處理功能，可以提取點、線、切割面、切割體、流線、等值面、動畫等結果，也具有創建圖表、自定義函數等功能創建針對特定問題的物理量。

圖9 迷宮式調節閥速度流線圖

為了驗證PERA SIM Fluid計算結果的準確性，使用成熟商用CFD軟件、相同的工況條件進行了對比計算，計算對比結果如下。

圖10 PERA SIM計算結果

圖11 成熟商軟計算結果

由速度、壓力分布云圖可以看出，PERA SIM Fluid與成熟商軟的計算結果基本一致：當流體流經過流面積驟縮流阻較大的迷宮流道時，壓力逐級降低，部分壓力水頭轉化為速度水頭，速度逐漸增加，剩余的壓力水頭被迷宮流道的阻力損失耗散；當流體流出迷宮流道時，在過流面積較大的閥芯腔內部發生了匯流對沖能量耗散，速度降低。

圖表為兩款軟件計算壓力值的對比，偏差為3.6%。

5.結論

本文基于PERA SIM Fluid軟件，對迷宮式調節閥進行了流動特性仿真，實現了從幾何模型處理、網格劃分、模型和邊界條件設定、求解及計算結果處理的完整分析流程，驗證了軟件對不可壓縮流體流動問題的處理能力。與成熟CFD軟件進行了結果對比，壓力、速度場的分布一致，壓力數值的偏差為3.6%，保證了良好的計算準確性。

作者：安世亞太工程師 田童