调节阀具有阻止、控制和调整的作用，被大量广泛的应用于流体机械、流体传动和控制系统中。对
阀门的要求一是控制可靠，二是阻力小、损失少。但是，由于阀门对流体的阻止作用以及不同开度的影响，必然导致流场结构的变化以及复杂涡系的产生从而导致各种损失，尤其是在阀门突然启闭的过程中流量剧烈变化，导致压强等参数的剧烈变化，不但流动损失会加剧，而且会有剧烈的冲击与振动，这种冲击和振动往往导致阀体的变形与疲劳破坏，不仅影响控制和调节精度，而且可能导致整个系统工作失灵。同时，由于涡系和流动冲击必然产生噪音，这是一些特殊领域（如潜艇）非常关注的问题。
基于以上原因，必须对管道流场进行深入研究，以作为阀门减阻、安全、减振、降噪设计与结构优化的参考。由于阀门结构较复杂，其流动参数难以测量，国内在实验方面的研究相对较少，对管道流场的流动细节的测量基本没有。文献（1）对3种阀门（
蝶阀、
球阀、
闸阀）的流噪声进行了实验研究，文献（2，3）分别对给水管网中阀门阻力和电动球阀
流量特性进行了实验研究。
近年来，随着计算流体动力学（CFD）和计算机技术的飞速发展，数值模拟手段广泛应用于内部的复杂流动研究。数值模拟手段加深了阀门设计者和科研人员对其内部复杂流动的认识，从而有可能从改善其内部流场结构出发，达到降低流动损失，改善阀门的振动性能的目的。但以往的数值模拟多局限于定常或非定常静态（即阀门静止）研究，如文献（4-7），它们的共同点是分别具体研究阀门停留在某几个特殊位置时的流动状态，从而找出其开度、受力、流噪音等与流动参数之间的关系。这对于模拟阀门稳定工况是合理的，但作为设计参考，必须考虑变工况以及开关过程等。
本文利用FLUENT软件，对4种常见阀门流动进行了动态数值模拟。得出了开关过程中流场详细流动结构与阀体受力情况。
一、物理模型与数值方法
利用了FLUENT前处理软件GAMBIT生成闸阀、蝶阀、球阀以及调节阀的计算网格，如图1所示。计算中选用分离求解器；k-ε湍流模型；速度入口，V=10m/s；出口压力为零（相对于大气压）。前3种阀门通过水，调节阀通过水蒸气。
同时利用了FLUENT软件所提供动网格技术以及用户自定义函数（UDF）。对各种阀门的启闭过程进行动态仿真时，动网格用于调整和更新阀门运动后的网格，以确保计算网格质量；UDF用于定义阀门的开关规律（本文算例均基于速度随时间变化规律），使阀门实现连续的启闭过程。关于动网格与UDF详细介绍可参考FLUENT提供的帮助文档。
二、计算结果及分析
图2（a）中，由于阀门开度较小，流体所受阻滞作用较大，入口静压很大，而阀门背风侧压力较低，在阀与管壁的微小缝隙中形成了一股高速射流。在阀门左侧与右侧分别形成了漩涡，进口侧的涡是由于受阀体阻碍的流体与流动流体的剪切作用形成，而右侧涡主要由于射流与阀体背风侧低速流体剪切作用形成，该涡一直影响到出口。同时在此涡的诱导作用下，右上角形成了一角涡。随着阀门开度的增大（图2（b）），左右两侧的压力差有所改善，射流剪切作用减弱，右侧涡也有所减小，并且右上角角涡也消失了。
由图3可以得到，阀门x方向受力系数（drag）和y方向受力系数（lift）在开度较小时随开度减小而增大。阀门开始打开或即将关闭时，x、y向受力均剧烈变化，不仅会产生冲击振动与噪音，而且当阀门长期进行开关动作后，会因变形而影响控制精度，严重时将导致弯曲疲劳破坏。开度较大时，在一定范围内，受力变化不大。
图4为蝶阀不同时刻流线图。t=0.5
s时，阀门只开了一小缝，大部分流体被挡在左侧，左右压差较大。从蝶阀上方越过的流体折向下方，从下方越过的流体也有较小上折的趋势，从而形成两个旋向相反的旋涡，这两个旋涡在向下游发展过程中，相互作用，控制了下游整个流场。因此，可以推测其损失也很大。当阀门处于完全开启状态，阀门方向与水流方向一致，水流所受阻滞作用较小，压力分布、速度分布和流线均相对轴线对称，水流流动过程中局部损失很小。阀门处于一般状态时，流体经过阀门后会在轴线附近产生一对大小、强度不等的旋涡。
图5揭示了蝶阀不同时刻受力系数与力矩系数变化。蝶阀x方向受力特点与闸阀比较接近，但是y向力在小开度时有振荡的趋势，这主要是由于蝶阀两端旋涡不断产生、发展与脱落所致。而且在阀门打开或即将全关的瞬间，力矩（moment）呈现较大的“突变”，这将产生较大的瞬时弯应力，当阀门频繁开关时，阀体易产生变形和损坏。
当阀体流道与管道平行时，流动成对称状态，由于该位置球阀结构形状因素，流体经过阀门后在轴线两侧形成一对旋向相反的“后台阶”旋涡。当阀体内流道与管道轴线成一定角度时（如图6（b）），流体流过阀门时折向上方，在阀体流道内形成一与流向相反的旋涡，同时在阀外形成一与阀内旋涡大小不等、方向相反的旋涡。而且在左上角和右下角分别由剪切和诱导作用产生角涡。
从图6（c）、图6（d）流线可以看出，球阀的开关过程并非简单的相反过程，刚开启时的流场比即将关闭时复杂得多，前一过程中管道和阀体流道内存在复杂的多涡结构，这主要是由于阀门开启前长时间处于关闭状态，而管道左端速度入口条件没有改变，因此上游流体一直受强烈的阻滞作用，压力不断升高，阀门一旦开启，必然产生高速射流，导致射流与周围流体的强烈剪切作用，从而产生剧烈的旋涡运动。可以推测，球阀刚开时所受的力与力矩也较即将关闭时大得多，这一点从图7得到了证实。
图8为调节阀不同时刻的流线图，阀门初始时刻位于流道中间，先向下运动然后向上运动。
t=0.2
s时，调节阀刚开始运动，从左端进入的蒸气主要沿水平管路流动，少量流体沿阀体侧面转向竖直管路，折转后在竖管附近形成了一对旋向相反的旋涡，在竖管即将被关死时，只有缝隙处还有少量蒸气通过，而水平管路中流动畅通，流线基本平行于管路，因此，水平管道中流动良好。当阀体运动到最上端时，蒸汽主要沿阀体侧面流向竖直方向管道，而且在阀体的右侧面以及两出口分路进口处形成旋涡，因此流动恶化，损失也将较大。
图9为调节阀开闭过程中受力系数变化曲线。为了便于观察阀门运动过程中受力的变化规律，上图没有绘制开启和关闭时受力的最大值，但仍然可以看出此时冲击很大。阀门在调节过程中受力呈现无规律的振荡，X向所受合力始终为正，而Y合力基本为负。前者主要由于蒸汽流动方向原因，后者主要由于阀门结构原因。
对于流动损失的探讨，限于篇幅，本文仅给出了蝶阀管道出口的流动损失曲线，如图10。随着开度（开度与时间对应）的减小，损失增大，刚开与即将关闭时的损失略有差别。结合相应时刻的流线图可知，流场涡系越复杂，流动损失越大。
三、结论
1、从动态仿真结果看，阀门开启过程与关闭过程并非简单的反过程，尤其对于球阀，启闭过程中其流场特性与受力特点有很大的不同。
2、基于本文流谱与阀门受力分析，有利于阀门结构与强度设计的优化。
3、相对静态仿真，动态仿真更能准确地模拟出流场结构与阀门各种特性在变工况和启闭过程中的变化。
4、阀门开度减小时（未关死），流场变得复杂，出现复杂涡系，损失也会增加，同时阀门受力发生较大变化，导致冲击与振动，易导致阀体的变形与疲劳破坏，这对控制调节精度和结构强度都非常不利。
参考资料
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