迷宫流道扩张系数对介质流动特性的影响研究

王若愚，张钊，郝娇山，李武，唐永亮

(重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400700)



迷宫流道扩张系数对介质流动特性的影响研究

王若愚，张钊，郝娇山，李武，唐永亮

(重庆川仪调节阀有限公司，重庆 400700)

摘要：通过对高压差迷宫式调节阀的理论研究，结合流体力学相关理论，对迷宫流道的结构特征和设计依据进行了阐述，并提出了迷宫流道扩张系数对阀门性能的影响。建立单个迷宫流道的三维模型，并采用CFD流体分析软件对不同扩展系数下介质在迷宫流道内部流动情况进行模拟计算，获得内部流场分布情况，进而确定流道扩张系数对介质流动特性的影响情况。

关键词：调节阀迷宫流道扩张系数模拟流场

高压差迷宫式调节阀的研发，有效解决了化工工艺控制过程中高压差、易闪蒸、噪声大等技术难题，拥有较高的工作性能。但是由于国内高参数实验设备有限，大多实验只能在低压差条件下进行，对该类阀门的研究基本停留在简单的理论计算阶段，而对于高压差条件下阀门内部的可压缩流动却无法深入研究。随着阀门的性能不能提升，进行高压差工况下迷宫流道内部可压缩介质的流动状态研究具有重要意义。

1迷宫阀理论研究现状

随着工业技术的不断进步，客户端对迷宫阀的需求已从初始的简单选型转变为对阀门整体性能的关注，这也在一定程度上推动了国内阀门研发人员对迷宫阀的深入研究。如，上海理工大学王海明等[1]，采用流动显示技术将迷宫流道内部流场以直观的图像形式展示出来，对介质涡流的形成情况进行了分析；工装自控工程(无锡)有限公司的吴杰[2]，介绍了低噪音迷宫式调节阀的结构原理,论述了迷宫芯片与流路的设计以及流量系数的计算；上海理工大学的钟方胜等[3]，通过实验方法测试迷宫阀在不同开度下的阻力特性，并与理论值进行了对比；兰州理工大学的李树勋等[4]，通过理论计算与CFD仿真模拟方法对迷宫流道降压级数进行了系统的研究。以上诸多的研究性成果，对迷宫阀综合性能的提升起到了很大的改进作用，进而节省了能源损耗以及客户端设备使用费用。

2迷宫流道的结构特征及设计依据

2.1迷宫流道的结构特征

迷宫阀是调节阀中降压效果最好的阀门(其压力恢复系数FL≈1)，主要得益于节流组件内部特殊的迷宫流道设计，12级迷宫流道如图1所示。介质流经迷宫流道发生多次碰撞转折，损耗能量，实现逐级降压的同时流速也得了控制。迷宫流道能够有效地减小压力脉动，防止振动、噪声等现象的发生，从而保证阀门在较长周期内正常可靠地运行。

图1　单个迷宫式流道结构示意

对于液体介质，当流量恒定时，介质流速与流通面积成反比。如果迷宫流道的流通截面积恒定不变，由于涡流的“占道”作用，会使得流道的有效面积减小，这势必导致局部流速的增加。对于气体介质，由于具有可膨胀性，介质流经多级迷宫流道后，压力的降低会导致体积发生膨胀。因此，也将迷宫流道设计成截面积随着流向逐渐增加的结构。根据IEC 60534-2-1—2011.Industrial-processControlValves-Part2-1：FlowCapacity-SizingEquationsforFluidFlowunderInstalledConditions[5]中关于迷宫流道扩张系数的建议，扩张系数r应满足下列条件：

an×1.12n≤r≤an×1.23n

(1)

式中：an——第n级流道宽度；r——r=an/an-1。

2.2迷宫流道结构设计依据

迷宫流道设计目的是将流道内部流体的压力和速度的变化稳定地控制在一个允许的范围内。目前，国内在多级降压调节阀设计理论方面，主要依据Herbert L. Miller. P.E提出的理论，该论点给出了阀内节流件出口能量与流速限制要求，见表1所列。

将动能标准转化为速度头来判定，则出口处速度头KE的计算式为

KE=10-3ρv2/2

(2)

式中：ρ——出口处流体密度，kg/m3；v——出口处流体速度，m/s；KE——所计算的速度头，kPa。

3迷宫流道内部流场模拟

3.1流道模型与网格划分

为研究不同扩张系数对迷宫内部流道流场的影响规律，以12级降压的迷宫盘片单个流道模型作为研究对象，将进口宽度值固定，分别建立r=1.12，1.14，1.16，1.18，1.20，1.22单位时单个迷宫流道三维模型，槽深均为1mm。

采用计算机辅助工程(CAE)前处理器ICEM-CFD对流道模型进行网格离散化处理。由于模型结构规整，因而全部划分为六面体网格，从而提高计算效率和计算精度。

3.2介质参数与边界条件

介质参数与边界条件以常见高参数工况为依据： 流体介质温度为500K的高温蒸汽，选择水蒸气理想气体模型；边界条件设置为压力入口，5MPa；压力出口，0.1MPa，压差Δp为4.9MPa；参考压力设为1个标准大气压。

3.3控制方程组

在商业计算流体力学(CFD)软件中，选用改进的RNGk-ε湍流模型求解迷宫盘片内部流场，以连续性方程、动量方程、能量方程和基于各向同性涡粘性理论的RNGk-ε双方程组成数值模拟的控制方程组，以数值分析方法将方程组离散至一系列网格点上，求解流动区域内的离散数值解。

连续方程为

(3)

动量方程为

(4)

式中：B——体积力总和；μeff——有效黏度；p′——修正压力。

湍动能k方程：

(5)

湍动能耗散率ε方程：

(6)

能量方程为

(7)

式中：T——温度；S——黏性耗散项；Cp——比热容。

4模拟结果分析

为便于对不同r值时迷宫流道内介质流动特性进行对比研究，分别在12级迷宫流道中设立6个数据监测点，如图2所示。

图2　迷宫流道监数据测点位置分布示意

根据已知的工艺参数，设置进/出口压力边界条件。经数值模拟计算，分别提取不同r值时6个监测点处介质的速度值和温度值进行研究。

4.1速度值

不同r值时各监测点速度拟合曲线如图3所示。从曲线可以看出，介质在监测点1，2，3，4，5处速度上升稳定平缓，在最后一级，速度值明显增加。并且，随扩张系数的增加，呈现出小扩张系数时介质流速波动梯度小，大扩张系数时介质流速波动梯度大的规律。另外，当边界条件为压力进口和压力出口的情况下，介质出口流速随r的增加而增加，说明介质的流通能力增强，流量系数增加。根据流速与压降的关系可知，压降是以流速的2次方成正比例变化，流速增加越多，则压降变化梯度越大，迷宫流道的降压效果越好。

图3　不同r值时各监测点速度拟合曲线示意

4.2温度值

根据边界条件设置，介质采用了理想气体模型，并且不与外界发生热交换，所以该温度场的分析也属于绝热节流。

不同r值时各监测点温度拟合曲线如图4所示。从曲线可以看出，介质在监测点1，2，3，4，5处温降平稳，而最后一级时温度明显下降，说明产生了节流降温现象。并且，随着扩张系数增加，温降幅度也逐渐增大。另外，提取不同r值时迷宫流道的温度场结果可看出，出口1和出口2温度值存在一定的差值，如图5所示。通过分析速度矢量图确定，该情况的出现主要是由迷宫流道的结构导致，因为进口部分1～5级为串联流路，属于非对称结构；而6～12级为并联流路，属于对称结构。

图4　不同r值时各监测点温度拟合曲线示意

图5　不同r值时进/出口温度拟合曲线示意

4.3流阻系数的确定

流阻系数的大小是决定迷宫阀实现多级降压范围的重要因素。因此，该值的确定对迷宫流道的结构设计也至为重要。

迷宫流道结构是由多个直角转弯流道按一定扩张系数形成的连续性介质通道。因此，其流体阻力是弯管效应和突扩效应的组合。采用CFD仿真模拟方法，结合流阻测试标准要求设置准确的边界条件，经数值计算后获取进出、口压力差值和流速，并根据公式k=2Δp/ρv2(其中k——流阻系数；Δp——迷宫流道进、出口压力差)进行计算，结果见表2所列。可以看出，随着扩张系数的增大，迷宫流道的流阻系数减小，因而流通能力增强。

表2　不同扩张系数下迷宫流道的流阻系数

5结论

通过对12级迷宫盘片单个流道在不同扩张系数情况下内部流场情况进行模拟分析，确定扩张系数对介质流动的影响情况，主要结论如下：

1) 当介质为可压缩蒸汽时，最大速度位于迷宫流道最后一级处，内能得到最大的损耗，因而温度则降为最低，说明水蒸气介质在该工况下发生了“节流冷效应”现象。

2) 当进、出口压力一定情况下，随着扩张系数的增大，介质流动速度呈增加趋势。另外，根据流阻系数可以看出，流阻系数变化与流阻系数成反比，即： 扩张系数越大，流通能力越大；反之，则越小。

综合上述，扩张系数对介质在迷宫流道中的流量特性影响较为明显。但是，合理选择扩张系数，也要综合考虑介质实际工况，如压差、介质物性、阀门口径等。过大的扩张系数，会在迷宫流道的最后一级处形成较强的涡流，较大的流速会使流道金属表面上形成光滑明亮的斑痕；同样，过高的流速还会致使流到出口处流体能量超过允许范围，引发阀门噪音。因此，要严格按节流件出口能量限制标准进行设计，从而延长阀门的使用寿命。

参考文献:

[1]王海明,蒋旭平,李海.基于高速摄影技术的迷宫流道流场特性分析[J].流体机械,2010(04)： 10-14.

[2]吴杰.低噪音迷宫调节阀设计[J].阀门,2004(04)： 6-8.

[3]钟方胜,蒋旭平,陈明涛.锅炉给水泵迷宫式最小流量调节阀流动性能的试验研究[J].阀门,2008(02)： 19-22.

[4]李树勋,侯英哲,徐晓刚,等.高压差迷宫式调节阀盘片降压级数[J].排灌机械工程学报,2013(12)： 1073-1076.

[5]IEC. 60534-2-1—2011 Industrial-process Control Valves-Part 2-1： Flow Capacity-Sizing Equations for Fluid Flow under Installed Conditions[S]. Geneva： IEC, 2011.

[6]王福军.计算流体动力学-CFD软件原理与应用[M].北京： 清华大学出版社，2004.

[7]王金海,慕松韦,玉娜,等.基于CFX的迷宫阀内流场数值模拟与试验分析[J].机械设计与研究,2015(06)： 135-138.

[8]王燕,徐晓刚,胡建,等.多级套筒调节阀流场数值模拟与流量特性研究研究[J].石油化工自动化,2013，49(02)： 50-53.

Study on Impact of Labyrinth Path Expansion Coefficient on Fluid Flow Characteristics

Wang Ruoyu，Zhang Zhao，Hao Jiaoshan，Li Wu，Tang Yongliang

(Chongqing Chuanyi Regulating Valve Co. Ltd., Chongqing, 400700, China)

Abstract：Structure characteristics and design basis of labyrinth path are expounded through theoretical study on high differential pressure of labyrinth regulating valve with combination of fluid mechanics theory, and influence of expansion coefficient on valve performance is proposed. Single 3D model with labyrinth path is constructed. Simulation calculation on distribution of internal flow in labyrinth path is conducted with CFD fluid analysis software for medium with different expansion coefficient. Inner flow field distribution is obtained with further determination of influence of expansion coefficient on medium flow characteristics.

Key words:regulating valve; labyrinth path; expansion coefficient ; simulation; flow field

作者简介：王若愚(1987—)，男，重庆人，主要从事控制阀仿真实验研究工作，任助理工程师。

中图分类号：TH134

文献标志码：B

文章编号：1007-7324(2016)03-0059-04

稿件收到日期： 2016-01-14，修改稿收到日期： 2016-04-03。