活塞式调流调压阀流动特性研究

唐泽润; 王俊新; 蒋劲; 廖志芳; 李燕辉; Ze-run TANG; Jun-xin WANG; Jin JIANG; Zhi-fang LIAO; Yan-hui LI

中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (3) : 148-152.

供水工程

活塞式调流调压阀流动特性研究

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An Analysis of Flow Characteristics of Flow and Pressure Regulating Valve with Piston Sleeves

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摘要

以DN200活塞式调流调压阀为研究对象，基于Fluent软件，采用Realizable k-ε湍流模型，研究了不同开度下阀内三维流动特性。结果表明：节流孔处存在压力梯度突变，节流孔进口至出口压力先降低后逐渐恢复。同时，下游管道近壁区域存在对称的回流区，阀内出现不同强度的涡流。随着开度逐渐增大，下游管道壁面附近旋涡向上游侧移动，阀内旋涡强度逐渐减弱。此外，节流孔下游形成对冲射流，套筒中心位置出现“低速空穴区”。随着开度逐渐增大，节流孔内最大流速逐渐增大，射流向下游延伸范围逐渐扩大。节流孔壁面附近存在不对称分布的高涡量区域，附壁剪切旋涡形成区域是空化产生的潜在位置。调流调压阀具有线性度较好的流量特性，在小开度下消能降压效果明显。

Abstract

Taking the flow and pressure regulating valve with piston sleeve of DN200 type as the research object， based on FLUENT and Realizable k-ε turbulence model， the three-dimensional flow characteristics in the valve with different opening are studied. The results show that there is a sudden change of pressure gradient at the orifice， and the pressure in the orifice firstly decreases and then gradually recovers from the inlet to the outlet. At the same time， there is a symmetrical circumfluence area near the wall of the downstream pipeline， and eddies of different strength appear in the valve. With the increase in opening， the vortex near the downstream pipe wall moves to the upstream， and the strength of vortex in the valve decreases gradually. In addition， a jet forms at the downstream of the orifice， and a “low-speed cavity area” appears at the center of the sleeve. With the increase in the opening， the maximum velocity in the orifice increases， and the jet extends to the downstream further. There is a high vorticity region with asymmetric distribution near the wall of the orifice， and the region with wall attached vortex is the potential location of cavitation. The linearity of flow characteristic is superior and the effect of energy dissipation and depressurization is obvious at small openings.

关键词

调流调压阀 / 流动特性 / 节流孔 / 射流 / 旋涡 / 涡量

Key words

flow and pressure regulating valve / flow characteristics / orifice / jet / vortex / vorticity

基金

国家自然科学基金项目“基于Steger-Warming FVS 的长管道气液两相瞬变流计算及其水锤的气阀防护研究”(51279145)

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唐泽润 , 王俊新 , 蒋劲 , 廖志芳 , 李燕辉. 活塞式调流调压阀流动特性研究[J].中国农村水利水电, 2021(3): 148-152

Ze-run TANG , Jun-xin WANG , Jin JIANG , Zhi-fang LIAO , Yan-hui LI. An Analysis of Flow Characteristics of Flow and Pressure Regulating Valve with Piston Sleeves[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(3): 148-152

活塞式调流调压阀广泛应用于大型给水工程，具有控制水位、减压消能、持压泄压和调节流量等功能^［1］。该调流调压阀的调节精度高，减压效果明显并且耐汽蚀性能好，可用于管网压力平衡、重力流消能和输水管线流量控制等^［2］。DN200活塞式调流调压阀的结构如图1所示，包括阀体、活塞、活塞导轨、套筒和曲柄连杆机构等，其中套筒上沿圆周方向均匀分布160个直径为5 mm的节流孔，每排节流孔交错布置。通过传动机构带动套筒做水平往复运动实现开度调节，水流经过节流孔加速后形成对冲射流，从而达到流量调节和消能减压的目的，可以在满足下游流量的前提下降低下游管道压力^［3］。

图1 活塞式调流调压阀结构示意图

Fig.1 Structure diagram of flow and pressure regulating valve with piston sleeve

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现有关于活塞式调流调压阀内部流动特性的研究并不多，大多数学者主要针对调流调压阀内部流场分布规律进行研究，分析阀门阻力特性，以及对阀门结构进行优化。例如，邓君^［4］采用Standard k–ε湍流模型研究了活塞式调流调压阀内流动特性并获得了直线型流量特性曲线。李燕辉等^［5］基于CFD技术研究了大口径活塞式调流调压阀内流速、压力、湍动能和湍流耗散率等流场分布特性，分析了活塞式调流调压阀实现流量和压力调节的工作原理。冯为民等^［6］采用数值仿真对网孔式套筒调节阀的网孔分布进行了优化，计算结果表明优化前后网孔型套筒阀的流量特性曲线分别为直线型和抛物线形。顾成果^［7］研究了不同类型套筒式调节阀的功能和特点，并就传统和新型套筒结构的优点和缺点展开了讨论。李燕辉等^［8］采用动网格技术研究了活塞式调节阀水力特性，重点分析了流量系数、流阻系数和汽蚀系数等特性并阐述了启闭过程中阀芯各向液动力的变化规律。肖而宽等^［9］分别研究了锥形导流帽型和无导流帽型阀门的阻力特性，结果显示锥形导流帽型阀门的流阻系数较大，无导流帽型阀门因增加了流通面积而使流阻系数降低。此外，张伟政等^［10］通过数值模拟得到某一套筒型调节阀不同开度的流量并绘制了流量特性曲线，分析了阀内流动特性，并且对比模拟结果和试验结果表明模拟值和试验值吻合较好。Himadri Chattopadhyay等^［11］分别采用Standard k-ε湍流模型和Realizable k-ε湍流模型研究了调压阀内部流动特性，对比分析了两种湍流模型计算得到的湍动能分布特点，结果表明Standard k-ε湍流模型比Realizable k-ε湍流模型高估了湍动能水平，并指出Realizable k-ε湍流模型更加适合阀门内部湍流流动模拟。

本文以DN200活塞式调流调压阀为研究对象，通过计算流体动力学分析软件Fluent对小开度、中等开度和大开度3种代表开度下阀内流动特性进行了研究，分析了不同开度下压力、流速和涡量分布规律。本研究可为活塞式调流调压阀结构优化和阀门选型提供参考。

1 仿真模型及数值方法

1.1 网格划分及工况设置

本研究采用非结构网格对活塞式调流调压阀流体域进行网格划分，非结构网格具有较好的几何适应性，可以获得较高质量的网格，流体域网格如图2所示。根据相关研究，流体计算域范围选取不恰当会导致因入口与出口附近产生漩涡回流而对计算精度和稳定性产生影响^{［12，13］}。因此，对流体计算域进行适当延伸，即阀门上游延伸5倍管道直径，阀门下游延伸10倍管道直径。节流孔处存在压强和速度梯度突变，因此对节流孔及其附近区域网格进行局部加密处理，以捕捉节流孔附近流场细节，提高数值计算精度。以调流调压阀85%开度为例，选取3种不同数量的网格，设定边界条件为进口总压边界条件和出口压力边界条件进行数值仿真，获得出口流量并计算得到流阻系数，如表1所示。由表1可知，当网格数量为大于2 899 114时，流阻系数计算结果误差为0.1%，即当网格数量大于2 899 114时达到网格无关性要求。因此，本次研究最终采用网格数量为3 415 610进行数值仿真。

图2 活塞式调流调压阀流体域网格

Fig.2 Grid of fluid domain in flow and pressure regulating valve with piston sleeve

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表1 网格无关性验证

Tab.1 Grid independence test

网格

数量

进口压力/Pa

出口压力/Pa

出口流量/（m³·s^-1）

流阻

系数

2 139 551

299 591.98

200 000

0.028 355

244.95

2 899 114

299 590.73

200 000

0.028 407

244.05

3 415 610

299 589.97

200 000

0.028 429

243.67

1.2 数值方法

活塞式调流调压阀内部流动复杂，流动状态一般为湍流流动。本次研究选用Realizable k-ε湍流模型进行数值仿真，该模型能够较好地模拟调流调压阀内旋流、带方向压力梯度的边界层流动、分离流和二次流等复杂流动，可以提高节流孔射流流动的模拟精度。

Realizable k-ε湍流模型的湍流动能k和湍流耗散率ε的输运方程为：

\frac{\partial (ρ k)}{\partial t} + \frac{\partial (ρ k u_{i})}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{l}}{σ_{k}}) \frac{\partial k}{\partial x_{j}}] + G_{k} - ρ ε

（1）

\frac{\partial (ρ ε)}{\partial t} + \frac{\partial (ρ ε u_{i})}{\partial x_{i}} = \frac{\partial}{\partial x_{j}} [(μ + \frac{μ_{t}}{σ_{k}}) \frac{\partial ε}{\partial x_{j}}] + ρ C_{1} E ε - ρ C_{2} \frac{ε^{2}}{k + \sqrt[]{v ε}}

（2）

式中：

σ_{k} = 1.0

，

σ_{ε} = 1.2

，

C_{2} = 1.9

，

C_{1} = m a x (0.43, \frac{η}{η + 5})

，

η = {(2 E_{i j} \cdot E_{i j})}^{1 / 2} \frac{k}{ε}

。

借助计算流体动力学分析软件Fluent对活塞式调流调压阀内部三维流场进行数值仿真，采用壁面函数对近壁区域进行处理，压力速度耦合算法为SIMPLE算法，动量、湍动能和湍动能耗散率数值离散格式均采用Second Order Upwind格式，由于节流孔处存在明显的压力梯度突变，对压力项采用PRESTO！离散格式进行离散以提高计算精度。

2 数值仿真结果分析

2.1 流场分布

将25%开度、55%开度和85%开度分别作为小开度、中等开度和大开度的代表开度，设置进口总压为0.3 MPa，出口压力为0.2 MPa，对比分析活塞式调流调压阀不同开度下内部流动特性。

如图3所示，3种开度下压力分布表现出相似的特点，即节流孔上游和下游压力分别接近于进口压力和出口压力，节流孔处存在明显的压力梯度突变，节流孔进口至出口压力先降低后逐渐恢复。随着阀门开度逐渐增大，流场中最小压力值逐渐减小，其中25%开度、55%开度和85%开度的最小压力分别为0.162、0.138和0.136 MPa。3种开度下最小压力的位置均出现在节流孔进口流动分离点附近，该区域是发生空化的潜在位置。节流孔具有节流效应，水流经节流孔喷射形成对冲射流，在套筒中心位置汇合后形成向下游的整体喷射，由于强烈的剪切作用，在阀门出口下游管道近壁区域形成对称的回流区，同时对冲射流汇集后部分水流流向上游，由于阀门壁面阻止水流流动并使水流转向，因此在阀门内部区域形成了涡流。随着开度逐渐增大，下游管道壁面附近旋涡逐渐向上游侧移动，并且阀内旋涡强度随开度增大而减弱。

图3 不同开度压力云图（整体和局部）与流线

Fig.3 Pressure contours and streamlines with different opening

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通过对比图4所示不同开度阀门出口压力等值面可知，25%开度压力等值面分布较分散，存在局部高压区和低压区，压力过渡不均匀，即压力梯度较大；55%开度和85%开度压力等值面聚集明显，压力过渡均匀，即压力梯度较小。随着开度逐渐增大，压力等值面逐渐向套筒附近区域集中，阀门出口压力逐渐接近下游管段压力。

图4 不同开度阀门出口压力等值面

Fig.4 Pressure isosurface at valve outlet with different opening

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不同开度速度云图对比如图5所示，轴向对称的环形流道将进入阀腔的水流平顺地引流至节流部位，由于不存在突变的过流结构，因此流速分布较均匀，无明显速度梯度。节流孔具有明显的节流降压作用，水流经过节流孔后流速增加，流速梯度较大，在节流孔下游形成对冲射流，由于卷吸作用，射流汇集区域偏向下游侧。随着开度逐渐增大，节流孔处最大流速逐渐增大，射流向下游延伸范围逐渐扩大，其中25%开度、55%开度和85%开度最大流速分别为15.00、15.33和15.54 m/s。由于射流对冲，动能转化为压能，套筒中心位置处流速降低，压力升高，形成“低速空穴区”，如图6中红色圆圈标注。随着开度逐渐增大，射流强度逐渐增强，流速极低的“局部静止区”范围逐渐减小。

图5 不同开度速度云图（整体和局部）

Fig.5 Velocity contours with different opening

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图6 不同开度阀门出口截面速度云图

Fig.6 Velocity contours at valve outlet with different opening

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不同开度下节流孔局部涡量云图如图7所示，高涡量区域主要分布在节流孔壁面附近，这是由于水流经过节流孔时产生了流动分离，在节流孔壁面处形成了附壁剪切旋涡。随着开度逐渐增大，存在涡量的区域从节流孔进口位置逐渐向节流孔下游和不同节流孔形成的射流之间区域扩展。由于水流进入节流孔的入射角不同，因此节流孔高涡量分布区域并不对称。高涡量位置存在附壁剪切旋涡，导致旋涡区域成为流场最低压力位置，该区域是空化产生的潜在位置。

图7 不同开度节流孔处涡量云图

Fig.7 Vorticity contours at orifice with different opening

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为了研究活塞式调流调压阀节流孔上、下游附近流道压力分布特性，数值仿真计算不同开度下流场分布，提取节流孔上、下游流道中心位置共计15个监测点压力如图8所示^［14］。3种开度下不同监测点压力分布具有相同的变化趋势，由于节流孔上游环形流道过流面积比节流孔大并且无突变结构，因此压力较高且平稳，如监测点1至监测点2段。由于节流孔处过流面积突变，流速增大，压力急剧降低，存在压力梯度突变，压力分布曲线斜率增大，如监测点2至监测点7段。监测点7至监测点10段为节流孔内至出口附近区域，由于节流孔过流面积不变，压力稳定在流场最低压力水平。由于射流对冲形成“局部静止区”，从节流孔出口至套筒中心位置（监测点10~监测点12段）的压力逐渐上升，由于射流汇集后向下游喷射，所以自套筒中心位置至下游（监测点12~监测点15）的压力逐渐降低并接近下游管段压力。此外，随着开度逐渐增大，过流面积增加，过阀流量增大，节流孔内流速增加因而最小压力逐渐降低。分析图8可知，固定调流调压阀进出口压力，随着开度逐渐增大，最小压力逐渐降低，节流孔内部越容易出现空化。

图8 不同开度节流孔上、下游监测点压力分布

Fig.8 Pressure distribution of monitoring points at upstream and downstream of orifice

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2.2 流量系数和流阻系数

流量系数和流阻系数是评价活塞式调流调压阀性能的主要参数，流量系数和流阻系数的计算公式分别如式（3）和式（4）所示^［5］：

K_{v} = Q \sqrt[]{\frac{1}{Δ P} \times \frac{ρ}{ρ_{0}}}

（3）

式中：K_v 为流量系数；Q为流量，m³/h；

Δ P

为阀门前后净压差，bar；

ρ

为对应工况水的密度，kg/m³；

ρ_{0}

为15 ℃时水的密度，kg/m³。

ξ = \frac{2 Δ P}{ρ v^{2}}

（4）

式中：

ξ

为流阻系数；

Δ P

为阀门前后净压差，Pa；v为管道平均流速，m/s。

通过数值仿真计算得到活塞式调流调压阀不同开度的流量系数和流阻系数如图9和图10所示。

图9 流量系数曲线

Fig.9 Discharge coefficient curve

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图10 流阻系数曲线

Fig.10 Flow resistance coefficient curve

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由流量系数曲线可知，随着开度逐渐增大，调流调压阀的流量系数逐渐增大，并且呈现出线性变化的特征。因此，该调流调压阀流量特性的线性度较好，能够较好地适应不同工况的流量调节需求。根据流阻系数曲线可知，在大开度时，调流调压阀流阻系数变化平缓，然而在小开度时，流阻系数随开度变化明显，因此该调流调压阀在小开度时消能降压效果较好，在大开度时可能无法满足某些工况的调节需要。

3 结语

基于Fluent软件，对活塞式调流调压阀不同开度下三维流场分布进行了数值仿真，得出如下结论。

（1）节流孔处存在压力梯度突变，节流孔进口至出口压力先降低后逐渐恢复。固定阀门进出口压力，随着阀门开度逐渐增大，流场中最小压力值逐渐减小。

（2）阀门出口下游管道近壁区域存在对称的回流区，同时阀门内部区域也出现涡流。固定阀门进出口压力，随着阀门开度逐渐增大，下游管道壁面附近旋涡逐渐向上游侧移动，并且阀内旋涡强度随开度增大而减弱。

（3）节流孔具有明显的节流降压作用，水流经过节流孔后流速增加，流速梯度较大，在节流孔下游形成对冲射流，套筒中心位置处出现“低速空穴区”。固定阀门进出口压力，随着开度逐渐增大，节流孔处最大流速逐渐增大，射流向下游延伸范围逐渐扩大。

（4）高涡量区域存在于节流孔壁面附近且分布并不对称，附壁剪切旋涡出现在高涡量区域，导致旋涡区域成为流场最低压力位置，该区域是空化产生的潜在位置。

（5）调流调压阀流量特性的线性度较好，在大开度时，调流调压阀流阻系数变化平缓，消能降压效果不明显，在小开度时消能降压效果较好。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

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收稿日期	出版日期
2020-05-05	2021-03-15
发布日期
2021-04-07

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