（化工过程机械专业论文）基于cfd的调节阀内部流场的研究.pdf

硕+ 学位论文 摘要 调节阀是各种流体装置中重要的控制设备，在国民经济各个部门中有着广泛 的应用。随着市场需求的不断发展，对调节阀产品的要求也越来越高，不仅要确 保调节品质，还需要降低节流能耗。过去人们侧重于从机械的角度研究调节阀。 由于调节阀的内部结构比较复杂，流型多变，因此从水力的角度开展其内部流动 分析的研究，有重要的理论意义和实用价值。 随着电子计算机和计算流体力学的发展，数值模拟成为目前流体机械内部流 动及其性能研究的主要方法与手段之一。本文应用c f d 软件f l u e n t ，对角式 调节阀内部流场进行了三维数值模拟，得到了流量特性曲线和内部流场参数的可 视化图形，探讨了角式调节阀中不同流向对流量系数的影响，并对流道的不足之 处进行了优化。 本文通过对调节阀流量系数的数值模拟和理论计算，验证了应用f l u e n t 进行数值模拟的可行性和可靠性；对不同流向和开度的流场进行的对比分析表明 角式调节阀选择流闭型流向可相对提高流量系数，尤其在阀门大开度时，流量系 数提高显著。在工程中可根据实际情况选择安装流向，若角式调节阀经常处于较 大开度工作时，选择流闭型的安装流向，能更好地提高流量系数，减少能耗。 c f d 数值模拟在调节阀中的应用，必将大大提高调节阀的技术含量与产品 质量，对调节阀使用性能的不断提高具有十分重要的意义。 关键词：调节阀；c f d 数值模拟；流量系数；流向 基丁c f d 的调节阀内部流场的研究 a b s t r a c t c o n t r o lv a l v ei si n d i s p e n s a b l ec o n t r o le q u i p m e n ti nk i n d so ff l u i d a le q u i p m e n t a n dh a st h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nt h en a t i o n a le c o n o m y a l o n gw i t ht h em a r k e t d e m a n dd e v e l o p i n g ，t h er e q u e s to fp r o d u c to fc o n t r o lv a l v ei sa l s om o r ea n dm o r e h i g h ，n o to n l y t oe n s u r et h eq u a l i t yo fr e g u l a t i o n ，b u ta l s ot or e d u c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o no ff l o w w h i l ei nt h ep a s t ，m o r ea t t e n t i o nw a sp a i dt o t h ev i e wo f m a c h i n e r y d u et oc o m p l i c a t e di n s i d es t r u c t u r eo fc o n t r o lv a l v ea n dp l e n t yo ff l o w p a t t e r n ，i th a st h e o r e t i c a lm e a n i n g sa n dp r a c t i c a lv a l u et os t u d yc o n t r o lv a l v ei n s i d e f l o wo nt h ev i e wo fh y d r a u l i c s a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e c o m eam a i n l ym e t h o d t or e s e a r c ht h e i n t e r n a lf l o wa n dt h ep e r f o r m a n c e o f h y d r o - m a c h i n e r y i n t h i sp a p e r ，a t h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sp e r f o r m e do ft h ei n t e r n a lf l o wf i e l do f a na n g l ep a t t e r nc o n t r o lv a l v eu s i n gc f d s o f t w a r ef l u e n t ，t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c c u r v e ，t h ed i s t r i b u t i o n so ft h ev e l o c i t yf i e l da n dp r e s s u r ef i e l di nt h ec h a n n e lw e r e d e r i v e d t h ee f f e c to fd i f f e r e n tf l o wd i r e c t i o n sf o rf l o wc o e f f i c i e n ti na n g l ep a t t e r n c o n t r o lv a l v ew a sd i s c u s s e d ，t h eo b je c t i o no fc h a n n e lw a so p t i m i z e d c o m p a r i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o n w i t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nf o rt h ef l o w c o e f f i c i e n to fc o n t r o lv a l v e ，t h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ff l u e n tu s e df o rf l o w n u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ep r o v e d c o m p a r i n gw i t hd i f f e r e n tf l o w d i r e c t i o n sa n d o p e n i n g s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ef l o wd i r e c t i o nm a k i n gt h ev a l v ec o r e s h u tc a n i n c r e a s et h ef l o wc o e f f i c i e n t ，e s p e c i a l l ya tt h el a r g eo p e n i n g ，i ti n c r e a s ee v i d e n t l y i ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，c h o o s et h ef l o wd i r e c t i o na c c o r d i n gt oa c t u a ls i t u a t i o n ，i f t h ea n g l ep a t t e r nc o n t r o lv a l v eo f t e nw o r k sa tt h el a r g eo p e n i n g ，t h ef l o wd i r e c t i o n m a k i n gt h ev a l v ec o r es h u tc a n i n c r e a s et h ef l o wc o e f f i c i e n tb e t t e r ，a n dd e c r e a s et h e e n e r g yc o n s u m p t i o no ff l o w a p p l i c a t i o no fc f d n u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a ni m p r o v et h et e c h n i c a lc o n t e n ta n d p r o d u c tq u a l i t yo fc o n t r o lv a l v e ，s oi ti sv e r ys i g n i f i c a n tf o re n h a n c i n gp e r f o r m a n c e o fc o n t r o 】v a l v e k e yw o r d s ：c o n t r o lv a l v e ；c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l o wc o e f f i c i e n t ； f lo wd i r e c t i o n 硕七学位论文 插图索引 图1 1c f d 数值模拟的全过程9 图2 1 调节阀组成示意图一1 3 图2 2 调节阀主要分类图1 4 图2 3 调节阀节流模拟1 4 图2 4 流体通过调节阀时压力和流速的变化1 6 图2 5 不同流量特性的阀芯形状18 图2 6 理想流量特性曲线1 8 图2 7 节流孔后的空化作用_ 2 2 图2 8 角式调节阀结构示意图2 3 图3 1c f d 数值模拟流程图2 4 图3 2 湍流数值模拟方法及相应的湍流模型3 0 图3 3 流场数值计算方法分类图3 9 图4 1 全开时流道模型的剖面图4 6 图4 图4 图4 图4 图4 6 全开时的速度矢量图一5 0 图4 7 全开时的速度矢量局部放大图5 0 图4 8 开度7 0 时的压力值分布云图5 1 图4 9 开度7 0 时的速度值分布云图一5 1 图4 1 0 开度7 0 时的速度矢量图5 1 图4 1 1 流闭型流向全开时的压力值分布云图5 2 图4 12 流闭型流向全开时的速度值分布云图5 3 图4 13 流闭型流向全开时的速度矢量图5 3 图4 14 流闭型流向全开时的速度矢量局部放大图5 4 图4 15 流闭型流向开度7 0 时的压力值分布云图5 4 图4 16 流闭型流向开度7 0 时的速度值分布云图5 5 图4 17 流闭型流向开度7 0 时的速度矢量图5 5 图5 1 流闭型流向开度3 0 时的速度矢量图5 7 图5 2 流闭型流向开度3 0 时的速度矢量局部放大图一5 7 i i l 6 8 9 9 4 4 4 4 图图图线云云构曲布布结性分分格特值值 网量力度 的流压速 型的的的 模阀时时 道节开开 流调全全 基7 - c f d 的调节阀内部流场的研究 图5 3 模型一开度3 0 时的速度矢量图5 8 图5 4 模型一开度3 0 时的速度矢量局部放大图5 8 图5 5 模型一全开时的压力值分布云图5 9 图5 6 模型一全开时的速度矢量图5 9 图5 7 模型二开度3 0 时的速度矢量图6 0 图5 8 模型二开度3 0 时的速度矢量局部放大图6 0 图5 9 模型二全开时的压力值分布云图6 1 图5 1 0 模型二全开时的速度矢量图6 1 硕十学位论文 管道截面面积，m 2 流量系数通用符号 比热容，j ( k g k ) 压力恢复系数 x 轴的质量力分量，n k g y 轴的质量力分量，n k g z 轴的质量力分量，n k g 重力加速度，m s 2 几何压头，m 静压头，m 速度压头，m 总压头，m 压头损失，m 调节阀的放大系数 流量系数，m 2 流体传热系数 全开时阀芯位移，m 阀芯位移，m 工程单位系数 流体压力，p a 主要符号土文1 可【j v 流体压力差，p a 体积流量，r n 3 s 最大流量，m 3 s 最小流量，m 3 s 体积流量，r n 3 h 可调比 广义源项 粘性耗散项 温度，k 时间，s 速度矢量，m s x 轴的速度分量，m s 流体平均流速，m s ； y 轴的速度分量，m s z 轴的速度分量，m s 广义扩散系数 阻力系数 流体的动力粘度，p a s 流体平均密度，k g m 3 流体微元体表面应力，p a 通用变量 肇 q 知 r s 品 丁 ， y 甜 v w r f p f 彳 c r 六 正 g 乃 魄 k k 氐 后 ， p 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： b 强：硝年6 最sb 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 卅年e 窍6 。 参窍6 日 日 硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究意义 阀门是一种通用机械，应用范围极广，在国民经济中起着重要作用。随着人 类文明和经济的发展，管道流体输送系统越来越多，而阀门则是整个系统中不可 或缺的控制部件，因此必须对阀门的性能进行详尽的分析和掌握，才能使阀门更 好地服务于整个系统。阀门的种类有很多，而其中担当对管路中的流量等参数进 行控制任务的，便是调节阀。 1 1 1 调节阀及其对控制系统的影响 国际电工委员会i e c 对调节阀( 国外称控制阀c o n t r o lv a l v e ) 的定义为： “工业过程控制系统中由动力操作的装置形成的终端元件，它包括一个阀体部 件，内部有一个改变过程流体流率的组件，阀体部件又与一个或多个执行机构相 连接。执行机构用来响应控制元件送来的信号。”调节阀由执行机构和阀体组成。 执行机构是调节阀的推动装置，它按信号压力的大小产生相应的推力，使推杆产 生相应的位移，从而带动调节阀的阀芯动作；阀体部分是调节阀的调节部分，它 直接与介质接触，在执行机构的推动下，改变调节阀的节流面积，达到调节流量 的目的。 调节阀是自动调节系统中一个终端控制仪表，是组成工业自动化系统的重要 环节，被称之为生产过程自动化的“手脚”，它的好坏直接影响到系统的质量， 从而影响最终产品的质量及系统运行的效益，因此提高调节阀的性能品质是十分 重要的。 1 调节阀是节流装置，属于动部件，与检测元件和变送器、控制器比较，在 控制过程中，调节阀需要不断改变节流件的流通面积，使操纵变量变化，以适应 负荷变化或操作条件的改变。因此，调节阀组件的密封、耐压、耐腐蚀等性能都 会对控制质量产生影响。例如，密封会使调节阀摩擦力增加，死区加大，造成控 制系统控制品质变差等。 2 调节阀的活动部件是造成“跑”、 “冒”、 “滴”、“漏”的主要原因， 它不仅造成资源或物料的浪费，也污染环境，引发事故。 3 在与过程介质接触的问题上，检测元件和调节阀内件的情况是不同的。首 先，接触的介质可能不同，因此调节阀就要有更好的耐腐蚀性、强度、刚度等； 其次，检测元件可采用隔离液等方法与过程介质隔离，但调节阀通常与过程介质 基于c f d 的调节阀内部流场的研究 直接接触，很难采用隔离的方法与过程介质隔离。 4 调节阀的节流使能量在阀内部被消耗，因此，降低能耗、降低调节阀的压 力损失和保证较好的调节品质之间要合理选择和兼顾。 5 调节阀对流体进行节流的同时也造成噪声。例如，当阀芯出口压力低于液 体的蒸汽压力时，造成闪蒸；当阀下游压力高于液体蒸汽压力时，造成汽蚀。调 节阀造成的噪声和调节阀流路的设计、操作压力、被调介质特性等有关，因此， 降低噪声，降低压力损失等也是对调节阀提出的更高要求。 6 调节阀安装在各种不同的生产过程中，不同的操作条件如低温、高温、高 压、大流量、微小流量等需要调节阀具有各种不同的功能，因此，调节阀要有很 强的适应性。 1 1 2c f d 方法在调节阀中应用的意义 调节阀作为过程控制工业中的终端元件，随着自动化程度的不断提高，己日 益广泛地应用于冶金、电力、化工、石油、轻纺、造纸及建材等众多工业部门中。 调节阀在调节系统中是必不可少的，因此详尽的了解调节阀的工作参数，改进它 的工作性能，就能够更好地促进调节系统整体工作状态的提高。 目前，国内阀门行业科研开发能力仍较弱，基本停留在经验设计的方法上【2 】， 产品开发只能参照国外的一些设计资料和样品进行消化吸收，真正意义上的新产 品自主开发工作很少。原因在于设计方面缺乏新理论的指导和高新科技手段的介 入，也缺乏对高性能参数的动态模拟试验手段和测试设备，基础科研的投入也较 少。 随着电子计算机和计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 的迅 猛发展，c f d 数值模拟己逐渐成为工程设计的一个重要的辅助手段【3 4 j 。计算流 体力学( c f d ) 先在航空航天、大型动力设备、核反应堆等高技术产品的研发过程 得到广泛应用，又迅速向流体、化工机械与设备等各种与热、流相关的通用机械 产品扩展。近年来，在阀门设计中c f d 数值模拟也得到了应用，发达国家在这 类产品的研究开发中已运用数值模拟进行设计方案预选，再以较少量试验来校核 确定方案，基本上能做到避免带有盲目性的试验。 利用数值模拟手段不仅可以节约大量的人力和资金，最重要的特点是可以模 拟和展现调节阀真实工作状态下其内部流动参数的变化和分布规律，尤其对全负 荷变化范围都可以进行细节信息的获取。尽管调节阀内的非定常流动数值模拟研 究还不能完全满足实际要求，但在设计前首先进行调节阀全工况范围的三维真实 工作参数和介质的数值模拟研究不仅弥补了试验研究的短缺，更重要的是可提供 试验无法获得的数据。如为设计人员提供全面完整的流场信息，从而为降低流动 损失、改善阀门稳定性提供思路，并能预测调节阀运行实况。 2 硕十学位论文 c f d 技术在阀门设计中的应用使得阀门的结构设计更趋于合理，更有助于 我国阀门行业开发新产品，加快缩小与国外差距的步伐。目前，国内一些科研院 所已经开始应用c f d 数值模拟计算技术开展阀门的流态研究，例如利用c f d 数 值模拟计算电站调节阀的设计和结构优化，不但能大幅度取代常规实验提供各种 流动特性参数，而且能通过揭示流场三维分布形态为优化设计提供详细依据。对 于常规实验无法处理的复杂现象，如空化、水击等，也可以用c f d 方法进行模 拟。c f d 数值模拟的应用必将大大提高调节类阀门设计的技术含量与产品质量， 可缩短设计和加工周期，节省大量成本，通过对流道的优化，对降低流体流过调 节阀的能量损失，提高能源利用率等具有十分重要的意义。 1 2 调节阀历史现状及发展方向 1 2 1 调节阀的发展历史 调节阀的发展与工业生产过程的发展密切相关。远古时期，人们为了调节河 流或小溪的水流量，采用大石块或树干来阻止水的流动或改变水的流动方向。古 埃及和古希腊文明发明了几种原始的阀门类型，用于农作物灌溉等。但是，普遍 公认是古罗马人为了农作物灌溉而开发了相当复杂的水系统，采用旋塞阀和柱塞 阀，并使用止逆阀防止水的逆流。文艺复兴时期，在艺术家和发明家达芬奇 ( l e o n a r d od av i n c i ) 设计的沟渠、灌溉项目和其他大型水力系统项目中使用了阀 门，他的许多技术方案现在仍实际存在。阀门工业的现代历史与工业革命并行， 随着工业革命的深入，1 7 0 5 年，纽康曼( t h o m a sn e w c o m e n ) 发明第一台工业蒸汽 发动机，对蒸汽发动机的运行提出了控制要求，瓦特( j a m e sw a t t ) 发明了第一台 调节转速的控制器，其后，对流体流量的控制越来越被人们重视。最早的调节阀 是18 8 0 年由费希尔( w i l l i a mf i s h e r ) 钳j 造的泵调节器，这是一种带重锤的球形阀， 利用重锤平衡阀芯所受到的流体作用来进行调节，这种调节阀后来演变成利用阀 后压力进行调节的自力式调节阀。1 5 在2 0 世纪2 0 - 一3 0 年代，调节阀以阀体形状为球形的球形阀为主，其后，v 形缺口的单座和双座调节阀问世。4 0 年代调节阀新品种进一步产生，相继出现 适用于高压介质的角式调节阀、用于腐蚀性介质的隔膜调节阀和用于大流量调节 的蝶阀等，极大地丰富了市场品种；阀门定位器等产品也在那时开始出现。19 4 9 年在德国成立了化学和石化工业的第一个专业协会测量与控制标准协会 n a m u r ，并开展标准的制定工作。5 0 - - 6 0 年代出现了三通调节阀，用于配比控 制和旁路控制；球阀的研究进一步展开，得到较大的推广使用；出现了适用于大 压差和降低噪声的套筒调节阀。7 0 年代套筒调节阀被广泛应用于工业生产过程 的控制，以其较大的优势成为球形阀的主流产品；同时这一时期又种新结构产 基_ 丁c f d 的调节阀内部流场的研究 品偏心旋转阀问世，成为角行程调节阀的佼佼者。偏心旋转阀具有良好的密 封性、大的流通能力，可应用于较大压差的场合。8 0 年代开始，各种精小型调 节阀诞生，这是多弹簧气动薄膜调节阀，它对调节阀执行机构进行的改革使调节 阀的重量和高度下降，流通能力提高，该产品以其体积小、重量轻、流通能力大 的特点深受市场的青睐。9 0 年代开始，随着计算机控制装置的广泛应用，对智 能调节阀的要求也越来越强烈，相继诞生各种智能电气阀门定位器和带智能阀门 定位器的现场总线调节阀，为调节阀的发展翻开了崭新的一页。【5 j 1 2 2 我国调节阀的发展 我国调节阀工业生产的起步较晚。在2 0 世纪6 0 年代，我国对直通单座阀、 直通双座阀、三通调节阀、角式阀、球阀、蝶阀等产品进行了系列化的改进设计 和标准化、规范化后，国内才有了完整的系列产品。由于机械工业落后，机械加 工精度低，因此，产品泄漏量较大，但尚能满足当时工业生产过程的一般控制要 求。7 0 年代开始，随着工业生产规模的扩大，工业过程控制要求的提高，一些 调节阀产品已不能适应生产过程控制的要求，例如对高压力、高压降、低温、高 温和腐蚀等介质的控制要求。为此，一些大型石油化工企业在引进设备的同时， 也引进了一些调节阀，例如带平衡阀芯的套筒阀、偏心旋转阀等，为国内的调节 阀制造厂商指明了开发方向。因此，7 0 年代后期，国内研究机构和生产厂商联 合设计了套筒阀，使我国有了自己的套简阀系列产品。8 0 年代开始，随着我国 改革开放政策的贯彻和落实，一些调节阀制造厂引进了国外著名调节阀厂商的技 术和产品，使我国调节阀产品的品种和质量得到明显提高。例如，生产出各种类 型的套筒阀、偏心旋转阀，得到了推广使用，并开始研制精小型调节阀。随着大 型电站等工业项目的进行，也研制了各种电液执行机构、长行程执行机构等执行 机构，以适应大推力和大推力矩、长行程等控制要求。9 0 年代开始，我国的调 节阀工业也在引进和消化国外的先进技术后开始飞速发展，一些合资和外资的调 节阀生产厂相继生产了有特色的产品，填补了一些特殊工业控制的空白，使我国 调节阀工业的水平大大提高，缩短了与国外的差距。随着现场总线技术的应用， 在2 l 世纪初，采用现场总线技术的调节阀产品问世，国外一些现场总线的调节 阀和相关的产品，例如智能阀门定位器等，开始在国内一些新建工程中应用，国 内一些厂商也开始研制有关产品。【5 j 1 2 3 调节阀发展的特点 回顾调节阀发展历史，其发展特点如下【5 】： 1 调节阀的发展与工业生产过程控制的发展密切相关。例如，单座阀的不平 衡力大，不能适应工业生产过程高压差的控制要求，为此，研制了带平衡阀芯的 套筒阀；当调节阀噪声己成重要环境污染时，不少具有降噪功能的调节阀和降噪 4 硕士学位论文 的阀内件应运而生；当工业生产过程对高温、低温和泄漏等有一定要求时，诞生 了适应高温和低温的伸长型阀盖和用波纹管密封的阀盖等。 2 调节阀的发展与提高产品质量、降低原材料消耗等紧密结合，使调节阀产 品的品种不断更新和增加，功能扩展，适应面越来越广。例如，调节阀的品种有 单座阀、双座阀、三通阀、角式阀、套筒阀、阀体分离阀、隔膜阀、高压阀、偏 心旋转阀、偏心阀板阀、蝶阀、闸阀等；执行机构有气动薄膜执行机构、气动活 塞执行机构、气动精小型薄膜执行机构、气动长行程执行机构、电动执行机构、 电液执行机构、齿轮执行机构等；阀门定位器有气动阀门定位器、电气阀门定位 器、智能电气阀门定位器等。 3 调节阀的发展使工业应用更方便、灵活、可靠。调节阀设计计算采用更适 合的计算公式；调节阀的安装和维护变得更方便；调节阀阀内件的设计，例如流 路设计、材质选用、降噪设计等，使工业应用面更广泛，使用更可靠。 1 2 4 调节阀应用中存在的主要问题 调节阀是工业自动化仪表中使用问题最多的产品，也是更新换代最慢的产 品，几十年一贯制，到现在，还是以五六十年代水平的产品为主导产品( 占7 0 左右) ，可见，产品陈旧落后1 6 】。在使用中常遇到以下问题： 1 笨重 调节阀轻则几十公斤，上百公斤，重则几百公斤，甚至上千公斤。它给调节 阀的运输、起吊、安装、维护带来很大的麻烦。 2 功能不全 功能不全，必然形成多品种共存，以便功能互补。因此造成了调节阀的品种 多，规格多，参数多。它给调节阀的计算、选型、维护、备品备件、工厂管理等 带来相当大的不便。 3 可靠性差 可靠性差必然出现如“漏、滴、堵、卡、动作差”等问题。它给系统的正常 投运带来很大的困难。 4 噪声大，能耗高 工业应用中，调节阀的噪声已成为工业设备的主要噪声源。同时，能耗损失 造成了对能源的巨大浪费。 1 2 5 现代工业对调节阀的新要求 先进的现代化工业是以生产自动化为标志的。从自动化系统的发展历史和进 步来看，技术工具的变革起着极为重要的作用。各种先进的控制手段虽然不断出 现，但基本的控制规律没有改变，而技术工具的变化则是日新月异。人们已经不 再满足于传统的生产方式，开始用数字化、微机化等先进技术进行革新。智能仪 基丁c f d 的调节阀内部流场的研究 表的研制和使用更为工业自动化开创了美好的未来。另外，随着现代化工业的大 规模发展，对工业品的要求也越来越高，范围也越来越广。作为工业自动化控制 系统的“手脚”，调节阀也将面临新的课题，有待创新、提高。 1 高质量、高可靠性 在过程控制中，调节阀直接控制流体，它的质量的稳定性与可靠性将会直接 影响到整个系统，一旦发生故障，后果不堪设想。在石油天然气工业中，从油田 到炼油厂，各种生产装置都大规模地集中监测和控制，大部分操作条件都是在高 温或高压中进行，介质都是易燃、易爆的油、气，因此调节阀的质量与可靠性被 提到了首位。在化学工业中，过程的多样性及工艺条件的变化，对温度、压力、 流量、液位四大热工变量的控制中，都有很多特殊问题要求调节阀能够适应。在 电力工业中，发电厂要对锅炉进行控制，锅炉调节系统中保持水位的正常非常关 键，避免调节阀的误开、误关、失灵等故障的发生是何等的重要。 2 保护环境 随着工业的快速发展，环境污染也日趋严重，人们的健康及生态环境面临着 极大的威胁，各个国家都在积极地制定相应的法律、法规以减少环境污染，保护 公众的健康和生态平衡，因此环保己成为企业产品设计所要考虑的关键问题之 一。调节阀对环境造成的危害主要表现为大气污染和噪声等，公众和社会对此都 有强烈的要求，而作为调节阀制造厂就必须做出响应。 3 节约能源 经济的高速增长必然引起能源的极大损耗，然而地球的资源是有限的。原材 料供不应求，石油、煤、水资源的消耗和短缺已成为目前及今后相当长的时期内 所面临的问题。因此用于流体控制的调节阀，在其设计、使用过程中要与节能问 题相联系。 4 适用于新领域 随着新技术、新工艺的突破，传统的工业生产过程也将向着更深、更新的领 域发展，如超临界高温、高压、低温等，而与之相适应的调节阀则等待将来去研 究、去开发。 1 2 6 调节阀的发展方向 随着工业自动化及现场总线技术的快速发展，对低成本、高可靠性的智能化 阀门的要求越来越迫切，阀门除了双向通讯功能，还应具有自诊断功能，流量特 性人机对话功能，存储维修记录等智能化功能。其发展趋势是机电一体化、智能 型与总线制接口，同时向精小型、节能、节材以及高温高压大压差方向发展。【5 j 6 硕七学位论文 1 智能化 主要表现在调节阀的自我诊断；减少产品类型，简化生产流程；智能阀门定 位器以及数字通信等方面。调节阀不论是气动还是电动，都可以智能化。气动调 节阀主要体现在定位器，电动调节阀则依赖于电动执行机构。数字通讯技术是一 种先进的通讯方法。随着数字化现场总线的开发与应用，数字式智能定位器及电 动执行机构也相继问世，因此，未来调节阀的发展也必将向着数字式智能化的方 向发展。 2 标准化 主要表现在实现产品互换性、实现互操作性、标准化的诊断软件和标准化的 选型程序等方面。 3 精小化 主要表现在采用精小型执行机构、改变流路结构、采用电动执行机构等方面。 4 安全化 主要表现在使用新材料、新结构，提高调节阀的密封性能和调节性能；提高 执行机构的灵活性和灵敏性；增加防爆安全性等方面。可靠性将作为第一设计要 素，以使调节阀的早期故障率降得更低，并且将早期故障的发生控制在装配调试 期，确保调节阀在工作期间的故障率趋于零，运行更加可靠。 5 节能 主要表现在采用低压降比的调节阀、采用自力式的调节阀、采用电动执行机 构、采用压电调节阀、采用带平衡机构的阀芯等方面。降低调节阀的能耗，提高 能源的利用率是调节阀的一个发展方向。 6 保护环境 环境污染已经成为公害，调节阀对环境的污染主要有调节阀噪声和调节阀的 泄漏，因此保护环境主要表现在降低调节阀的噪声和对大气的污染方面。 计算机科学、控制理论和自动化仪表等高新科学技术的发展推动了调节阀的 发展，例如，现场总线调节阀和智能阀门定位器的研制、数字通信在调节阀的实 现等。调节阀的发展也推动了其他科学技术的发展，例如，对防腐蚀材料的研究、 对削弱和降低噪声方法的研究、对流体动力学的研究等。随着现场总线技术的发 展，调节阀也将开放、智能和更可靠，它将与其他工业自动化仪表和计算机控制 装置一起，使工业生产过程控制的功能更完善，控制的精度更高，控制的效果更 明显，并为我国现代化建设发挥更重要的作用。 基t - c f d 的调节阀内部流场的研究 1 3c f d 数值模拟的发展历史及研究现状 1 3 1c f d 数值模拟简介 c f d 数值模拟，即计算流体力学数值模拟，是以电子计算机为手段，通过 计算流体力学的数值计算和图像显示，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各 类问题研究目的的方法。 c f d 数值模拟实际上可以理解为用计算机来做实验，可以形象地再现流动 情景。比如某一特定机翼的绕流，通过计算并将计算结果在荧光屏上显示，可以 看到流场的各种细节，如激波是否存在，它的位置、强度、流动的分离、表面的 压力分布、受力大小及其随时间的变化等。通过上述方法，人们可以清楚地看到 激波的运动、涡的生成与传播。 从上面的例子可以看到，c f d 数值模拟包含以下几个步骤【_ 7 】： 首先要建立反映问题( 工程问题、物理问题等) 本质的数学模型，具体说就 是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件，这是c f d 数值模拟 的出发点。没有正确完善的数学模型，数值模拟就无从谈起。牛顿型流体流动的 数学模型就是著名的n s ( n a v i e r s t o k e s ) 方程及其相应的定解条件。 数学模型建立之后，需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法。 计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法，还包括坐标系的建立，边 界条件的处理等。针对不同的问题要选择适合的计算方法，这些过去被人们忽略 或回避的问题，现在受到越来越多的重视和研究，目前已发展了许多数值计算方 法。 在确定了计算方法和坐标系后，就可以开始编制程序并进行计算了。实践表 明，这一部分工作是整个工作的主体，占绝大部分时间。如果求解的问题比较复 杂，比如n s 方程就是一个非线性的十分复杂的方程，它的数值求解方法在理 论上不够完善，因此就需要通过实验来加以验证。正是在这个意义上讲，数值模 拟又叫数值试验。 在计算工作完成后，大量的数据可以通过图像形象地显示出来。目前人们已 能把图像做得像相片一样逼真。利用录像机或电影放映机可以显示动态过程，模 拟的水平越来越高，越来越逼真。 以上这些步骤构成了c f d 数值模拟的全过程。 硕十学位论文 实际物理流动过程 流动模型： 流动近似： 湍流、多相流、稀薄流、 薄层、抛物化、边界层、 化学反应流、粘弹性流、 无粘、完全气体、二维、 真实气体等等 f 7 定常、不可压等等 偏微分方程组 数值格式： 有限差分法、有限体积 法、有限元法、边界元 ( ， 法、特殊方法等等 代数方程组 数值算法： 松弛迭代法、多重网格 法、龙格库塔法、牛顿 迭代法等等 r7 v r前n e r a 吲np = 刮析u 。n 觥刽og 理c si dgt if 1 i daa l y s i scm pt g r a p h i c 。 图1 1c f d 数值模拟的全过程 1 3 2c f d 数值模拟的产生背景和发展历史 16 世纪工业革命推动了自然科学的巨大发展，各种各样的自然规律被发现。 牛顿奠定了力学的理论和数学分析的基础；伽利略开创了实验研究的范例。从此 自然科学的研究在理论和实验两个方面得到了充分的发展。理论研究在探索大自 然的奥秘及其发展的基本规律中发挥了重要的作用。实验研究则为理论研究提供 了依据，并为揭示新的规律提供信息。这两种方法一直相辅相成、互相促进，推 动科学不断发展。 随着研究的不断深化和问题本身的复杂化，理论研究受到了限制。实验研究 同样也遇到了困难。电子计算机的产生和发展，使c f d 数值模拟这种研究手段 应运而生。流体力学的发展证实了这一点。 理论流体力学从18 世纪到2 0 世纪中叶有了非常巨大的发展。尤其是随着航 空事业的发展，人们早己在实验的基础上揭示了空气运动及其与飞行器相互作用 的一般规律，并建立了流体运动所遵循的足够普遍和精确的n s 方程，以及适 用于各种不同范围的一些近似方程，求得了一些可以简化为线性方程及某些简单 边界条件下的比较简单的解析解，及某一些简化条件下的摄动解。 9 基于c f d 的调节阀内部流场的研究 但由于n s 方程是非线性的，实际问题又比较复杂，因此精确解和摄动解 只能用于分析流场的某些基本特性和现象，很难用于实际工程。比如一架飞机表 面在飞行时的压力分布这类实际问题在飞机设计中十分重要，但几乎不可能用解 析法或摄动法得到，长期以来理论只能作估算，大量问题还是靠风洞试验来解决。 理论研究越来越不能满足实际问题的需要。 正是这个原因，实验流体力学得到了迅速的发展。从5 0 年代起各国都十分 重视实验设备的建设和实验技术的发展。为了给各种型号的产品设计直接提供可 靠数据，很多风洞都有较大的尺寸。与此同时，各种特种风洞也纷纷建造起来， 而且仍有发展和扩大的趋势。实验技术也飞速发展，如激光测速技术、全息技术、 各种新型传感器、流场显示技术，电子计算机的数据处理技术等均有改善和提高， 而实验费用也越来越昂贵，一架飞机的研制和实验研究的耗费几乎按指数规律上 升。【7 1 实验研究无疑比较接近实际，但也有不足之处，比如洞壁、支架等干扰是无 法避免和消除的。对于十分复杂的流动，如非定常流、高温和有化学反应流，气 弹性变形流等都很难做实验，而且实验次数总是有限的，尺寸相实验条件的改变 困难大、周期长。因此单凭实验研究也不能完全满足生产实际的需要。 由于高速电子计算机的出现，计算流体力学数值模拟这一手段使精确的空气 动力设计由理想变为现实，而且一些问题用数值模拟比做实验在时间和费用上都 省得多。随着图形显示和图像处理系统的出现和不断的完善，c f d 数值模拟的 逼真性不断提高，其优越性越来越明显，己逐渐成为工程设计和科学研究的一个 重要手段。 c f d 数值模拟作为一种工程研究和设计手段开始于7 0 年代，当时仅应用于 航空业和核工业中，因为受到计算机硬件和计算费用的制约，成本高昂。随着计 算机技术的飞跃发展，计算机成本逐渐下降，性能不断改进，在8 0 年代初期， c f d 数值模拟已经进入汽车制造业和化工领域，但是它仍未能得到广泛应用。 只是在近十几年中，计算机的计算速度和存贮能力已有大幅度提高，而计算机硬 件成本反而急剧下降。很多工程技术人员都能够很容易使用计算机工作台，从而 在一般工程设计中得到比较广泛的应用。所有涉及流体、热量、分子输运等现象 相关的问题，都可以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟，因此c f d 数值 模拟的应用领域也必将越来越广泛。 1 3 3c f d 数值模拟的优越性和局限性 数值模拟法和理论分析法、实验研究法并列为现代流体力学研究的三大方 法。理论分析具有普遍性，为实验研究和数值模拟提供理论指导；实验研究得到 的结果真实可信，是理论分析和数值模拟的基础；数值模拟法具有成本低及能模 1 0 硕+ 学位论文 拟较复杂或较理想的工况等优点，可以拓宽实验研究的范围，减少实验的工作量。 当问题本身遵循的规律比较清楚，所建立的数学模型比较准确并为实践证明 能反映问题本质时，c f d 数值模拟具有较大的优越性。这是因为数值模拟具有 耗费少、时间短、省人力等优点，便于优化设计，比实验研究更自由、更灵活， 并且还能对实验难以量测的量做出估计。 c f d 数值模拟的另一个特点是具有很好的重复性，条件易于控制，可以重 复模拟过程，这对湍流的数值模拟尤为重要。通过数值模拟还可以发现一些新的 现象，比如两个孤立波相互作用的一些特性就是通过c f d 数值模拟首先被发现 的。 另一方面，c f d 数值模拟也有一定的局限性，面临不少问题。首先是要有 能够反映问题本质的数学模型，即建立反映问题所涉及的各物理量之间的微分方 程及相应的定解条件，这不是所有问题都能做到的。对于不少问题，在其机理尚 未完全搞清楚之前，数学模型很难准确化。比如高速水流的汽蚀现象、分层流界 面的掺混问题、多相流各相间的相互作用、非牛顿流体的本构关系、物理化学流 动中的复杂规律等，都难以用准确的数学模型加以描写，人们便经常借助于各种 半经验性的模型，这就大大地影响了数值模拟的正确性和可靠性。 其次是c f d 数值模拟中对数学方程进行离散化处理时，需要对计算中所遇 到的稳定性、收敛性等进行分析，寻求高精度、高分辨率、高效率的计算方法。 这些分析方法大部分对线性方程是有效的，对非线性方程来说只有启发性，没有 完整的理论，对于边界条件影响的分析，困难就更大一些。所以计算方法本身的 正确与可靠也要通过实际计算加以确定，为了验证计算结果的正确性，还必须与 相应的实验研究结果进行比较。 再次，c f d 数值模拟本身还受到电子计算机硬件条件的限制，即计算机运 行速度和容量大小的限制。有些问题尽管己经有了成熟的数值模型，但是完全实 现模拟并不现实。湍流运动的c f d 数值模拟是一个典型的例子。它的数学模型 就是经典的n s 方程。但由于流动是不定常的、三维的，如果要详细描写湍流 91 运动，至少需要在空间布置r e4 个网格点，计算r e 2 个时间步长，每个点有4 个 变量( 最少的情况) ，可见计算工作量之大，是不现实的。因此为了能完全模拟 湍流运动，必须继续大力发展计算机硬件，同时还要努力改进计算方法，提高计 算效率。【7 】 总而言之，在强调数值模拟优越性的同时，也必须看到它的局限性，应该把 它放在适当的位置。它与理论分析、实验研究相辅相成，是研究流体流动的一个 重要手段。 基- 1 - c f d 的调节阀内部流场的研究 1 3 4c f d 数值模拟的研究应用现状 c f d 数值模拟的应用现在已日趋广泛，从飞机制造业到汽车工业，从化工 行业到环境科学，很多专业领域都有成功应用c f d