魏东坡，赵宏霞，孟凡召

（1.天津职业技术师范大学 机械工程学院，天津 300222；2.山东华宇工学院 机械工程学院，山东 德州 253034）

0 引言

工程设计中，常规的阀门通常用于开关控制，但随着现阶段第四次工业革命的到来，越来越多的精密、智能阀门应用在工业生产中。例如采油用阀门中，具有开度控制阀门的需求量越来越大。阀门的智能化主要体现在流量智能控制上。通过查询资料发现，阀门控制研究过程中通常使用流量系数值来表示阀门的流通特性。官梦凡等人以DN50的核一级升降式止回阀为例，分析了不同阀瓣导向结构、阀瓣质量及阀体阀瓣配合间隙对值的影响[1]。刘剑等人利用ANSYS软件进行了SHF-20A型四通换向阀的流场分析，并比较了模拟计算的结果与实验结果考察流道结构变化对阀值的影响规律[2]。国外的阀门制造商在阀门生产过程中通常会提供相应的阀门的值，但是国内产品的粗放性和成本等因素导致对该参数的重视程度不够。相关产品中提供具体值的较少，目前也未发现有关节流阀门值研究的资料。Fluent软件是专业的流体分析软件，黄川等人利用Fluent软件开展了易拉罐灌装阀阀道流场分析与结构优化的研究[3]。为准确掌握某一型号阀门的具体特性参数，利用Fluent流体分析软件对现有产品进行分析以获取其流量特性，并得到不同阀门开度下的值。

1 阀门特征参数分析

众所周知，国内的阀门产品大都采用值来表示阀门的性能[4-5]，值与值表达的含义是相同的，二者之间存在换算关系：

根据IEC 534-1，阀门值是压差为1 psi（94. 8 Pa）时，40～100℉（4℃～38℃）的水每分钟流经阀门的加仑数[6]。对于不发生气蚀和闪蒸的紊流，阀门值的计算公式为：

式 中：Q为流 量，U.S.gal/min（1U.S.gal/min=6309×10-5m3/s）；ρ为流体密度，kg/m3；ρw为40～100℉（4℃～38℃）水的密度，kg/m3；ΔP为阀门的压降，MPa。

由于流量Q和压力降不是阀门本身的特性参数，故Cv的物理含义应为该阀门的特性参数。当阀门选型过程中，给出相应的流量和流体密度之后即可得到阀门两端的压力降（即阀门的压力损失）。例如，在油田服务作业过程中，准确知道相应的井口阀门的沿程损失能更精确的控制井下目标层的压力最终达到精确施工提高油田产量等效果。

从查询的资料可知常用的阀门的Cv曲线常用的形式有下图的四种[7]。等百分比流量，抛物线流量、线性流量和快开流量四种。

图1 阀门开度和流量系数关系

2 某阀门的流场分析和值计算

现阶段我公司的产品进行Cv曲线试验的硬件设施仍然有所欠缺，但是为跟国际上的产品接轨就需要我们对公司产品特性有更全面和深入的掌握。从前述分析可以看出常规的Cv值是针对的水，或者特性与水相类似的流体而言。而石油工程中的流体特性往往与水的差别较大。常规的Cv值不能满足设计要求，这就需要实际使用过程中针对原油和泥浆等进行试验得到特有的Cv特征值。利用软件进行仿真分析能很好的解决试验手段不足和特殊Cv值快速分析计算的问题，并满足实际的工程需求。

利用Fluent流体软件[8、9]对现有阀门结构的值进行分析。假定给定的参数为水，按照Cv值定义中给定的相关参数进行分析，结果如下。

2.1 阀门流场特性分析

阀门在微微开启的过程中相应的阻力主要集中在开启位置处，该位置将产生紊流现象。阀门开启时（开度非常小），阀门流场分析结果如图2所示。从该阀门流速云图上可以看出通过该阀的流体呈现明显的紊流状态，最大流速出现在阀芯左前方45°左右处，达到了282.7 m/s。查询资料可知，在该种流速情况下水会发生气化等现象[10]，导致该位置处流场的分布更加不均匀。

图2 小开度流场分布图

随着开度的增大，阀门内部的最大流速不断减小。例如当阀门的打开行程为20 mm时，通过该阀的流体的最大流速为4.02 m/s，如图3所示。结合前述的阀门微微开启时阀门最大流速282.7 m/s的流速情况，从阀门的使用角度考虑，阀门不易使用在流速极高或极低的情况下。通过查询参考文献，可知通常情况下控制流速的阀门，其开度范围在30%～70%的区间时流速控制值是非常准确的，放大些范围可为20%～80%。后续笔者将结合Fluent的分析结果给出该阀门流量精确控制的开度区间。

图3 中间行程流场分布图

从前述流场分析的流线和速度分布上来看整个阀门阀体内环空截面上的流速是不均匀的，流线从主要从左侧的流体流入端通过。右侧的流入断面上的流速较小。后续如果考虑到阀门的减阻和效率问题可以对阀门的流道进行改进，使进口处的流线更加平滑，这样相应的效果更好更高效。同时在流出断面后产生一定的涡流效应。该涡流同样会阻碍正流体的通过，建议后续增加延长段，这样更能使流体的流线均匀。

通过值Cv的计算公式可知，当阀门两侧压差不变的情况下，如果Cv值越大则对应的流量越大。即在相同使用工况下（固定流量的前提下）所消耗的压力降越少，即阀门更节能性能更好。从该种意义上说阀门的设计流线型越好则该阀门越优秀。

2.2 某阀门的曲线研究

通过Fluent软件计算阀门在不同开度下的流量，再按照阀门开启行程及其对应的流量进行计算得到对应的值，得到值与行程之间的关系表，如表1所示。

表1 不同阀门开度下流速数据表

根据上述计算结果拟合Cv曲线如图4所示，显然，该曲线与前述的四种经典Cv曲线不同，其存在正反两个类抛物线形式。同时查询资料发现很多常规阀门也有这种现象[11]。研究阀门结构发现，阀门在开始阶段的倒角设计导致阀门在初始阶段有类似于针阀的特性[12]，针阀的理论Cv曲线如图5所示。当阀门开启行程超过11.78 mm时，呈现闸阀的特性（图6）。因此出现两种正反抛物线形式的组合。为了消除行程的影响，将其换算为阀门开度与Cv曲线的关系，如图7所示。

图4 原始Cv曲线

图5 针阀的理论曲线

图6 阀门开闭阶段结构示意图

图7 换算前与换算后的曲线对比

按照换算后的数据进行拟合的结果如图8所示。再按照指数方式对该换算后的曲线进行拟合，设拟合公式的格式为：

图8 曲线拟合结果

根据边界条件得到各个参数值：

标准差为1.458 21，即拟合公式对应的Cv曲线最大偏差为1.458 21。同时从拟合后的偏差图中可以看出其在5～30的范围内时相应的偏差较小，如图9所示。即该段区域的准确性非常高。换算真实行程为15～42 mm的开关行程之间（总行程为47 mm），即该种阀门的高精度调整区间为32%～90%开度之间。

图9 标准差分布

3 结论

（1）Cv值是一个特种值代表了阀门的特性。从公式可知相同使用工况下阀门的Cv值越大则阀门两端的压降越小，阀门的能耗越低。公司的某款节流阀的流向形式存在一定的不足，后续可以针对该种阀门进行流道设计以达到减少公司阀门的压力降从而起到节能减排的效果。

（2）针对公司的阀门虽然叫节流阀，但是其并不能完全符合节流阀的特点。该阀门的Cv值的变化存在正反抛物线两种变化形式，如用于精确控制，需要将行程与阀门的开度进行换算后适用。从阀门的Cv值可以看出其精确使用的开度范围在32%～90%之间，对应着阀门的行程在15 mm～42 mm（总阀门行程为47 mm）。

（3）从结构上分析，该阀门的开始段的Cv结果是由于阀门内壁和阀板上的倒角共同决定的。该位置的倒角导致开始阶段阀门的开启形式与针阀类似，因此出现了针阀特征的Cv曲线段。从公司阀门生产和产品加工角度考虑，阀门的倒角等大多不能精确测量，如需要高精度的阀门，需要对阀门开关位置和阀板形状进行精细化设计。该位置的形状尺寸直接影响阀门的精度控制性能。

（4）本分析是基于水的Cv阀门特性研究。由于水与原油等产品的流动特性差距较大后续结合产品需求可针对应用的流体特性进行精细化计算以满足特殊要求。