基于PERA SIM Fluid的迷宫阀流动特性分析

本文基于PERA SIM Fluid通用流体仿真软件，以迷宫式调节阀为研究对象，分析内流场的流动特性，获得迷宫阀常规工况下的速度分布、压力分布以及流动变化，通过与成熟CFD的结果比对，验证了国产仿真软件PERA SIM Fluid的精确性和可靠性。

关键词：迷宫式调节阀；流动特性；PERA SIM Fluid

现代过程装备和工艺自动化控制工业领域中，调节阀又被称为控制阀，是流体介质（气体，液体或携带固体颗粒的气体和液体）输送过程中的调节控制的关键部件，也是借助动力装置改变自身开度去控制和调节管道内流体介质的压力、速度、流量、温度和液位等工艺参数的重要控制元件。

迷宫式调节阀作为近年来兴起的新型高性能特种控制阀，其利用复杂多变的多级迷宫流道结构的设计，增加控制阀的流阻，将高压差流体能量均匀地消散于迷宫流道的多级节流过程中，有效解决了传统控制阀高流速造成的冲蚀腐蚀失效等问题，极大地延长了控制阀的服役寿命。由于迷宫流道复杂的结构设计，其降压流动特性的变化规律还未形成系统的理论体系，无法有效指导迷宫式调节阀的示范和应用。

同时，调节阀节流元件的几何局部障碍形状各不相同，种类繁多，边壁条件复合多变，阀前管道湍流紊乱。尤其是本文所研究的迷宫碟片式调节阀，其节流元件迷宫流道融合了转折、扩张、汇合和分流等局部障碍，无法通过理论公式进行计算其局部阻力系数，因此，还需要借助数值模拟或者实验研究来解决。

2.1 模型建立及简化

直接导入stp格式的迷宫式调节阀的几何模型，该模型为迷宫阀的封闭固体部件，阀片开度为50%，包括封闭的进出口面、阀体、阀盖、阀座、迷宫式芯包等。由于仅研究迷宫阀内部的流动特性，为了更好地计算精度，删除固体域，保留流体部分。

分析的整体几何模型如图1所示：

图1  迷宫式调节阀的几何模型

2.2 网格划分

网格的划分方式为面网格－光顺－体网格。流体域面网格划分以保持原有几何形状为前提，为保持网格重构时的迷宫阀的几何特征，可主要针对阀体、芯包表面的关键特征等，设置全局尺寸。

面网格推荐尺寸如下：

图2  迷宫式调节阀的面网格

体网格类型选择多面体和边界层的混合网格，边界层的厚度由所需的Y+值确定，合适的Y+值要依据雷诺数及壁面处理方式来确定，在边界层设置中，使用Y+计算器，输入相对速度、密度、动力粘度和所需Y+值进行估算，就能获得边界层的第一层层高。在需要生成边界层的壁面上定义边界层的层数、第一层层高和增长率，生成多面体和边界层的混合网格。最终得到的单元总数为5189621，多面体网格为4111729，网格模型如下：

图3 迷宫式调节阀的体网格

2.3 模型、边界设置及求解

采用稳态计算，流体类型为不可压缩流体，密度和动力粘度值按照常温常压条件下的数值，参考位置选定为出口处。

图4 通用设置

不开启能量方程，湍流模型选择k-ω SST。

图5 湍流模型设置

流体材料属性定义为水，流场进口（计算域进口）边界条件设置为质量流，大小设置为17.63kg/s。流场出口（计算域出口）边界条件设置为压力出口，相对压力设置为0 Pa，其它边界都为无滑移壁面。

图6 材料属性、边界条件设置

求解方法选择耦合算法，时间离散勾选“伪瞬态方法”；采用标准初始化方法，初始压力改为101325Pa；收敛标准默认，计算过程中监测入口压力。

图7 求解算法设置

伪时间步长设置为0.001s，迭代步数3000步，可以设置计算过程中自动保存数据的间隔，输出额外变量总压。PERA SIM Fluid支持本地和远程并行计算，设置合理的并行核数求解计算。

图8 求解参数设置

PERA SIM Fluid提供了全面的后处理功能，可以提取点、线、切割面、切割体、流线、等值面、动画等结果，也具有创建图表、自定义函数等功能创建针对特定问题的物理量。

图9 迷宫式调节阀速度流线图

为了验证PERA SIM Fluid计算结果的准确性，使用成熟商用CFD软件、相同的工况条件进行了对比计算，计算对比结果如下。

图10 PERA SIM计算结果

图11 成熟商软计算结果

由速度、压力分布云图可以看出，PERA SIM Fluid与成熟商软的计算结果基本一致：当流体流经过流面积骤缩流阻较大的迷宫流道时，压力逐级降低，部分压力水头转化为速度水头，速度逐渐增加，剩余的压力水头被迷宫流道的阻力损失耗散；当流体流出迷宫流道时，在过流面积较大的阀芯腔内部发生了汇流对冲能量耗散，速度降低。

图表为两款软件计算压力值的对比，偏差为3.6%。

本文基于PERA SIM Fluid软件，对迷宫式调节阀进行了流动特性仿真，实现了从几何模型处理、网格划分、模型和边界条件设定、求解及计算结果处理的完整分析流程，验证了软件对不可缩流体流动问题的处理能力。与成熟CFD软件进行了结果对比，压力、速度场的分布一致，压力数值的偏差为3.6%，保证了良好的计算准确性。