调节阀的流量特性曲线是阀门设计和选型的依据，通常需要通过试验的方法获取。随着计算流体力学（CFD）的发展，通过CFD数值模拟，不仅可以获得流量特性曲线，而且能够获得流场的局部特征，为调节阀的设计和结构优化提供参考。彭龑等^［1］利用COSNOS/FloWorks软件计算球阀的流量系数，分析了球阀的流量系数和流场压力分布情况，进而验证了CFD技术应用于计算阀门流量系数的准确性。吴石等^［2］采用非结构、非交错网格的有限体积法求解应用二方程模型封闭的雷诺平均N−S方程组，对水管路系统中蝶阀、闸阀和球阀的三维分离流动进行数值模拟。结果表明，阀门下游的流噪声大于阀门上游的流噪声，涡声是阀门噪声的主要来源。刘华坪等^［3］基于Fluent软件，利用动网格及UDF计算对蝶阀、闸阀、球阀和调节阀内流动进行了动态数值模拟，得到了阀门开、关过程的流动状态，并分析了四种阀门在不同时刻受力系数与力矩系数的变化情况。李军业^［4］在实验基础上分析了流量试验结果的各种影响因素，比如雷诺数、流阻系数。Michael等^［5］对非定常气动激振力这一现象进行了研究，通过实验与Fluent软件模拟的对比，在不同的压降、不同的操作模式（包括随机频率和主频周期流宽度），得到了实验结果和模拟结果均在误差允许的范围内。Zachary等^［6］通过CFD模拟得到了不同压力以及其他参数条件下蝶阀的流场，并得到了合力和扭矩的相应关系。本文对三角口旋塞调节阀进行CFD模拟计算，得到其流量特性曲线，并对其流场特征进行分析。

1 CFD建模与计算 1.1 阀门及流道的模型

计算模型为带衬套的调节阀，旋塞开口形式为三角口。图1为阀体和阀门剖视图。图2为旋塞及其细节。

利用UG NX8.0软件生成该阀门的流道，阀门入口法兰向前延伸至2倍直径长度，阀门出口法兰向后延伸至10倍直径长度。图3为阀门全开流道。图4为阀门开度示意图，图中阀门开度代表阀门的旋转角度。

采用Fluent软件中前处理软件ICEM画非结构网格，全开流道网格总数为843 558，节点数为143 958，网格质量在0.3以上。

1.2 数值方法

采用Fluent软件计算，选取稳态求解，一阶精度，k−ε两方程模型，并采用三组数据取平均值的方法得到Kv值。三组数据的出入口条件分别为：① 入口总压550 kPa，出口静压500 kPa；② 入口总压550 kPa，出口静压450 kPa；③ 入口总压550 kPa，出口静压400 kPa。阀门内的工质为水，密度ρ为998.2 kg·m^–3, 黏性系数为0.001 003 kg·m^–1·s^–1。

2 计算结果及分析 2.1 流量特性曲线计算

选定阀门的8个开度，分别进行三组稳态模拟计算，得到每个开度的平均Kv，最后得到阀门的流量特性曲线。

阀门Kv的计算公式为

$ \quad\quad K{\rm{v}} = Q \sqrt {\frac{\rho{{g}} }{{\Delta {{P}}}}} $

式中：Q为流量；ΔP为入口和出口的静压力差；g为重力加速度。

表1为入口总压力为550 kPa、出口静压为550 kPa，随阀门开度变化计算的相关数据。随着阀门开度的减小，流量减小，流通能力变小，Kv减小，静压损失变大，阀门节流后产生的漩涡加剧，甚至产生回流。通过和阀门实际使用过程的对比发现，该流量特性曲线满足阀门的可控制区间要求，即阀门在开度为17°时开始有流体通过，85°时全部流通。

图5为流量特性曲线，其中第一个数据点为阀门完全关闭时，第二个数据点为开始有流体流入阀门时。由图中可知：阀门开度为17°～85°时，Kv的变化率随开度的增大而增大；阀门开度为85°至全开时，Kv的变化率随开度增大而减小。这是由于在开度为85°时阀门已经完全连通，阀门的流通能力和Kv随阀门开度的增大，变化较小。

2.2 三个不同开度的流场分析

以阀门的入口总压力为550 kPa、出口静压为500 kPa时为例，分别得到全开流通对称面上的静压云图、总压云图、速度云图，结果如图6所示。

由图6（a）知，阀门静压在流体进入阀门之前较大，流经阀门时较小，在经过阀门后静压有所恢复。图6（b）中，流体流经阀门后在三角口旋塞处总压仍然很大，并且影响到阀门下游。这是由于流体流经三角口旋塞时，由连续性方程可知，该处速度很大，阀门下游的速度也受到影响。图6（c）中阀门入口处和出口处的速度大致相同，三角口旋塞前、后速度明显变大。由于阀门旋塞开口为三角口的形式，流体流过阀门时所受阻滞作用较大，入口总压较大，阀门下游压力较低，因而在旋塞出口形成高速射流，在旋塞右下侧和右上侧均形成旋涡。该漩涡是由于射流与阀体下游低速流体的剪切作用形成，且一直影响到出口。同时，因为流道足够长，流场得到充分的发展，在入口部分的流速和出口部分的流速大致相同，此时阀门流量系数最大，流通能力最强。此时阀门全开，对应于流量特性曲线最高处。

图7为阀门开度为60°时对称面上的静压云图、总压云图和速度云图。由图7（a）中知，阀门上游的静压较大，流经阀门时静压减小，并且在阀门后静压达到最小，在阀门下游静压开始恢复。图7（b）中总压在入口处最大，在出口处很小。流体流经阀门时，由于三角口旋塞的作用，使得三角口旋塞处的总压很大，并且影响到阀门后侧，同图6（b）中相比，影响变小。图7（c）中，流体流经阀门，根据连续性方程，速度变大，并在阀门下游的某个位置达到最大值。开度为60°时，由于流通面进一步缩小，流体所受的阻滞作用加大，静压差变得更大，射流速度变大，在阀门右侧产生漩涡。该漩涡一直影响到出口部分。同时，由于流体流过不规则的流道，在阀门内部以及阀门入口前侧产生角涡。同理，流场充分发展，使得入口速度和出口速度大致相同，此时阀门流量系数变小，流通能力减弱，对应于流量特性曲线斜率变化较大处，此时旋开阀门，流量变化量较大。

图8为阀门开度为30°时对称面上的静压云图和速度矢量图。开度为30°时，由于此时的流通面相当小。流体所受阻滞作用非常大，阀门前后静压损失也很大，速度剧烈变化。流体入口速度为0.4 m·s^–1，在节流面时速度达到7 m·s^–1。由于流动状态非常复杂，在阀门内部和阀门前后均产生较大的漩涡。此时有较少的流体流过阀门，流通能力很弱，流量系数变小。对应于流量特性曲线斜率变化较缓处，此时旋开阀门，流量变化量较小。

综上可得，随着阀门开度的减小，阀门从全开到完全关闭状态，流通能力变弱，流量系数变小，且在这个过程中会伴随着漩涡的产生和消退。

3 结　论

（1）由流量特性曲线可知，该阀门在阀门开度为17°时开始有流体通过，开度为85°时已接近全开。在17°～85°之间，随着开度的增大，流量特性曲线的斜率变大；在85°到全开时，随着开度的增大，斜率变化减小。

（2）随着阀门开度的减小，由于阀门流通截面变小，使得静压损失变大，湍流度变大，使流场内的涡系变得复杂，最终导致该阀门的流通能力减弱。