节流阀主要用于油田钻井、油井测试、固井等高压管路中，通过调节节流阀阀杆来改变节流孔面积，以达到调节管路中压力和流量的目的。因此，它的性能好坏直接影响到油田节流作业时的人身安全和工作效率。文献对高压节流阀的失效进行了分析，指出了高压节流阀的失效主要是在高压降工作条件下阀芯、阀座的冲蚀磨损。因此，就有必要充分了解流体在节流阀中的流动规律，研究阀芯、阀座与流体的相互作用机制。
随着CAD/CAE技术的发展，尤其是计算流体动力学技术的发展，对节流阀进行流场数值模拟成了目前对节流阀进行设计及优化的重要手段。本文采用基于非结构化网格的有限体积法求解器软件Fluent对锥形节流阀进行三维流场分析，讨论锥形节流阀压降、冲蚀的影响因素，为锥形节流阀结构改进和油田应用提供参考。
一、模型的建立
本文以节流通径为?30mm、锥角为20°的内流式锥形节流阀为计算模型，根据实际结构用Pro/E建立三维CAD模型，使用面向CFD的前处理器软件Gambit对内部流道进行网格划分。模型具有面对称结构，取1/2进行计算。在入口和出口处采用较粗网格，阀口节流处的流速和压力梯度较大，对网格进行了局部细化处理，如图1所示。
图1 模型边界
在Fluent软件中采用求解压力耦合方程组的半隐式SIMPLE方法求解，紊流模型采用标准k-ε双方程。流体密度为1800kg/m3，动力粘度为0.02Pa•s。
二、边界条件
a）入口采用速度入口边界，设定节流阀入口流量为定值0.02m3/s，入口速度为6m/s。
b）出口采用压力出口边界，设定出口背压为0Pa，计算得到的入口压力即为节流阀的压降。
c）壁面采用无滑移条件，近壁采用标准壁面函数条件。
d）对称面施加对称边界条件，对称面的法向速度为零，对称面所有变量的法向梯度为零。
三、仿真结果分析
1、压降特性
图2 仿真压力结果
流体通过节流阀时，流体阻力损失以调节阀前后的液体压力降Δp表示，通过对调节阀口开度的大小分析，得到开度在5～40mm间的行程与压降关系，如图2所示。可以看到，节流阀的压力调节成非线性。在行程低（开口面积小）的区域调节时，压降变化迅速；行程大于15mm后，节流阀对压降的调节不再明显。为保证调节的平稳性和可控性，采用锥形节流阀对压降进行调节时，应尽量采用节流阀的中部调压区调节，避免压力变化过快和过慢。
由于节流阀具有压降与节流面积的非线性变化关系，因此，在进行节流阀设计时可以考虑通过改进阀芯的形状，让节流面积变化随行程成“先慢后快”的变化关系，如阀芯采用锥角依次加大的多段锥体结构或圆弧取代原来一段锥体的阀芯结构，使调节接近线性化。
2、流场特性
图3 节流阀对称面速度矢图
取行程为10mm开口时的计算结果进行流场分析，由如图3所示对称面速度矢量图可以看出，在节流阀入口段内流动比较稳定。在节流口处速度突然变大，最高流速达到50m/s，泥浆中含有的各种颗粒状物质对阀芯产生切削作用，这是使得节流阀阀芯失效的主要因素。通过节流口后，流体流动再度稳定下来。在阀腔底部和阀出口处流道面积突然变大处有漩涡产生，这样有利于增大压降，但漩涡的存在会产生一定的振动和噪声。
图4 节流口速度矢量局部
对如图4所示节流口处对称面速度矢量局部图进行分析，发现在节流口附近，流体各质点的流动速度矢量变化很大，一方面，部分流体以很高的速度和较大的冲击角冲击阀芯；另一方面，在节流面以上，流体在阀芯锥面的导流下逐渐改变方向，从入口的水平方向变为沿锥面锥角方向向下流动，位于阀芯的内侧，对高速、大冲击角流体的冲击起到缓冲作用。加长阀芯锥面的导流长度有利于减轻阀芯的冲蚀磨损。同时，由于韧性材料的最大冲蚀率发生在入射角为20°～40°之间，脆性材料在锐角区的冲蚀率随入射角的增大而增大。在对阀芯锥角角度设计选择时，应根据阀芯材料的冲蚀特点，使高速流体对阀芯的入射角避开阀芯材料发生高冲蚀率的角度。因此，采用Fluent软件对流场进行分析，运用直观的后处理结果对改进阀芯结构有重要指导作用。
图5 对称面压力分布
分析如图5所示对称面压力分布可以看出，在节流口前和节流口后压力均匀，没有大的压力变化梯度。在节流口处，压力变化明显，从节流口入口到出口，压力由大急剧变小，再由小急剧变大。在节流面下2～4mm的阀座壁面处都形成一个负压区，负压力如图2所示。在该区域，特别是小开口时负压大，容易形成气泡，发生气穴现象；在负压区后压力升高非常快，设计节流阀时必须考虑在该处气蚀对阀芯和阀座，特别是阀座的影响。对阀座进行倒角，使节流口后面积增加梯度减慢，分析发现倒角结构使负压区后压力升高梯度变慢，如图6所示。负压由原来的-20.4MPa减为-16.7MPa，对防止阀座、阀芯被气蚀有改善作用。但倒角削弱了节流阀的节流降压作用，无倒角节流阀压降为17.2MPa，倒角后压降减为13.9MPa。
a 阀座不倒角 b 阀座倒角
图6 不同阀座压力对比
四、结论及建议
1、锥形节流阀的压降和行程成非线性关系，使用时应选用中间区域调节，防止压力变化过快或过慢。
2、采用Fluent软件可视化分析对锥形节流阀的流场进行分析，能快速、直观地弄清节流阀的流场规律及特点，为锥形节流阀的设计和改进提供了条件，减少了对试验的依赖，能节约时间和成本。
3、锥形节流阀的阀芯和阀座在小开口时冲蚀和气蚀严重，使用锥形节流阀对压力进行调节时，要避免节流阀在小开口处长时间工作，当需要大压降时，应该采用串联固定节流阀或多个可调式节流阀。合理地选择阀座、阀芯材料及合理地设计阀芯、阀座结构对阀芯、阀座的冲蚀和气蚀有一定的减缓作用。
