本文通过对超临界调节阀的开启过程进行非定常数值模拟的研究，动网格划分应用弹性平滑和局部重划方法，出口压力随时间分布规律应用UDF（用户自定义）技术给定。同时，在数值模拟过程中分析了调节阀开启过程（历时5秒）阀杆横向力和轴向力变化规律。
一、调节阀结构及网格划分
利用UG实体建模软件对调节阀进行三维成型（见图1）。图2给出了调节阀中分面的结构图。
图1 超临界调节阀三维计算区域
图2 超临界调节阀结构图
在进行非定常模拟时，将阀体三维计算域进行中心面剖分，提取二维轮廓线，形成局部二维计算区域（见图3），并且保持调节汽门的阀碟、阀座等关键部分的原型结构。
图3 调节阀二维计算区域
图4 调节阀二维结构图
图4所示为调节阀的二维局部结构图，采用两个进口（Inlet1和Inlet2），给定总压为24.2MPa，总温828K，湍流度3%，以上数值来源为三维流动计算收敛后相应位置平均值。图6所示为调节阀出口（Outlet）压力随流动时间分布图，出口（Outlet）压力值采用UDF技术给定，其数值由10.943MPa（30%开度）升至23.23MPa（100%开度），过渡曲线为四分之一周期余弦函数。
图5 调节阀二维区域网格划分
图6 调节阀出口压力随流动时间分布图
计算模型通过Gambit网格划分软件进行三角形非结构性网格划分，动网格划分应用弹性平滑和局部重划方法，在喉部等关键部位进行网格局部加密，总网格单元数约为9～10万。
二、数值模拟结果分析
运用CFD通用软件FLUENT进行数值模拟，基本方程是二维可压N2S方程，采用非耦合求解器，应用隐式算法，非定常流动。采用定比热方式进行计算，湍流模型采用标准k-ω模型。压力-速度耦合采用SIMPLE算法。边界条件给定进口总压、总温和出口静压。
1、调节阀开度参数
计算模拟阀门开启过程（30%～100%开度）历时5秒，行程46.8mm。调节阀阀杆抬升过程中假设阀杆匀速抬升（速度为9.36mm/s），计算时间步长为0.001秒，表1给出了各时刻对应的调节阀开度比例。根据参数变化情况，分成两个时间段。
2、调节阀开启过程动态计算结果分析
A、流场分析
图7所示为调节阀马赫数等值线图。由图7（a）所示，在阀碟与阀座形成的环形通道中，马赫数由0.1增大到1.24，在通道出口处达到超音速。
表1 30%～100%开度的划分
图7 30%～100%开度过程各时刻马赫数等值线局部放大图
在0.2秒时刻（如图7（b），两侧高速流体并没有掺混，而沿阀座壁面进行加速流动，最大马赫数达到1.42，高速流体附着于阀座归功于阀碟的独特设计，致使高速流体仅仅附着于阀座壁面。在0.1秒至0.6秒过程中，超音速流体区域较大，在环形通道下游产生激波，流动损失急剧增大。而在1.1秒时刻，超音速区仅存在于阀座壁面的微小区域，随着调节阀的开启，其最大马赫数逐渐减小，超音速区域逐渐变小，在5秒时刻，不存在超音速区域，马赫数在流道内变化均匀。由上述分析可知，在0.1秒至0.6秒过程中由于激波的存在，流动损失急剧增大。
图8 30%～100%开度过程各时刻静压等值线局部放大图
图8为调节阀静压等值线，调节阀流场变化主要集中在阀碟和阀座构成的双喉通道内。由图8（a）所示，调节阀在小开度时，在阀碟和阀座构成的极短行程的环形通道内，静压变化剧烈。由于本文所研究的阀碟型线与文献中不同，阀碟下部开设的缺口棱边，使气流从阀碟表面强制分离，避免了“空穴区”的出现，减小了阀碟下方的流动损失。比较图8（a）、（b）、（c），随着开度的增大，出现在环形通道出口的低压区渐渐向下游流动，在0.3秒时刻，由环形通道流出的汽流便附着在阀座壁面，形成阀座附着流，可以预见在阀门开启过程中的前0.4秒出现了自由射流向阀座附着流转变的过程。在阀座扩压段，由0.1秒至0.4秒过程中，静压变化较为剧烈，原因是由于随着开度的增加，流量增大，这样增加了气流之间的掺混。由图8（d）、（e）、（f）所示，在环形通道出口区域，仍存在小范围低压区，在通道内部静压变化较为平缓，在阀座扩压段区域中，静压变化均匀，并缓慢增加至阀门出口。在5秒时刻，调节阀升程最大，此时通过环形通道的汽流进行了完全的掺混，在阀碟正下方区域形成一个较大范围的低压区。
B、调节阀阀杆受力分析在这里通过计算对阀杆横向和轴向两种振动
图9 阀门开启过程中阀杆受力图
图10 阀门开启过程中阀杆受力图（局部放大）
进行分析。图9为阀门开启过程中阀杆受力图。在整个时间过程中，阀杆所受的横向力较为稳定。图10为阀杆受力局部放大图，阀杆所受横向力仅在前0.075秒有较大的波动，在0.75秒至5秒过程中，阀杆所受横向力为零。
阀杆轴向力，在0.1秒至5秒过程中，轴向力由4500KN增大到8000KN。轴向力变化曲线平缓，并无波动存在。由图10所示，在前0.5秒阀杆轴向力仍有较大波动，波动趋势由强变弱，此过程阀杆振动较为严重，由起始的8000KN降为5500KN，再回升至7200KN，最后波动到低于5000KN。
三、结论
1、在调节阀开启的前0.4秒，在喉部以后区域形成了高速射流，在0.4秒以后时刻喉部出口的阀座壁面附近形成了附着的低压区域，形成了阀座附着流。
2、根据阀杆受力情况，选择最佳阀体提升速度，改变阀门和阀座的型线，减小阀杆的轴向力，提高阀门的可靠性和经济性。
3、在阀碟下部开设缺口棱边处形成的激波，随着开度的不断增加，激波强度不断减弱。
