节流阀流量特性曲线求解方法

　　建立了节流阀整体有限元数字模型，分析了节流阀的流量特性，进行了不同开度下的流场网格划分及边界条件施加和求解，绘制了流量特性曲线，形成了关于节流阀流量特性求解的一般方法。

1、概述

　　节流阀是通过改变节流截面积控制流体流量的阀门，其主要由阀体、阀盖、阀杆和阀瓣等零部件组成。阀门的节流元件阀瓣多为圆锥流线型，通过改变阀门的节流面积达到调节流量和压力。随着有限元软件的发展，为节流阀阀瓣节流面设计带来了更精确的方法，同时通过有限元求解对阀门不同开度下的流量进行整合分析得到节流阀流量特性曲线，从而可以直观的反应该阀门的流量调节性能，满足客户的使用要求。

2、流场分析

　　应用Solidworks软件对节流阀进行整体有限元数模建立，通过Solidworks Flowworks对节流阀进行了不同开度下的流量测定。

　　2.1、数学模型

　　在Solidworks软件中，应用拉伸和旋转等实体命令，建立实体模型，再应用装配模块对各零部件进行装配(图1) 。

图1 阀门数学模型

　　2.2、网格划分

　　将建立的立体数学模型，导入到Solidworks Flowworks模块中，对其进行流场网格划分，分别对节流阀阀瓣开启高度h 为4.5mm (图2) 、9mm、13.5mm、18mm、22.5mm、27mm、31.5mm、36mm、40.5mm 和45mm 的节流阀流场网格划分。

图2 阀瓣开启4.5mm 时节流阀流场网格

　　2.3、边界条件加载

　　边界条件是确定分析初始状态，设定内部流体为水，阀前设置流量为3m³/h，温度为室温，试验压力为6kPa。

　　2.4、求解

　　应用Solidworks Flowworks 求解器对节流阀不同开度下的流场进行求解，从分析结构可以发现，当开度为4.5mm 时，阀瓣与阀座附近最大流速为14.5m/s，流量为0.399t/h，阀瓣与阀座局部流体阻力很大，阀后流速很小，真空技术网（http://www.chvacuum.com/）认为随着阀瓣开启高度的提高，阀后流速增加，流量增加，阀瓣与阀座局部阻力降低(图3～图7) 。

图3 阀瓣开启高度为4. 5mm 的流场分布

图4 阀瓣开启高度为9mm 的流场分布

图5 阀瓣开启高度为22. 5mm 的流场分布

图6 阀瓣开启高度为36mm 的流场分布

图7 阀瓣开启高度为45mm 的流场分布

3、流量特性曲线

　　根据节流阀的流量调节情况，节流阀从全开～全关阀瓣不同开度下的流场分析结果可以求解出阀瓣节流后的流量及压差(表1) 。根据计算数据绘制的流量特性曲线(图8) 可以发现，该节流阀流量特性属于等百分比调节。

表1 节流阀开度和流量特性

图8 流量特性曲线

4、结语

　　通过对节流阀流量特性曲线的有限元分析，确定了流量特性曲线的一般分析方法，为阀门优化设计给出了改进方向，大幅缩短了研发周期。