如何计算截止阀的压降

了解阀门在一系列操作条件下如何工作，对于表征阀门的整体性能至关重要。业界已制定出行业标准，如Cv，来规范对阀门性能的评估。

Cv是一个相对值，是指在单位时间内，用于测量在既定压力增加值下通过阀门的流量。Cv越大，在规定压降下，阀门通过的流量就越大。借助Cv，设计工程师可以快速比较不同型号或品牌的阀门，并找到最合用的阀门。

截止阀部件

什么是截止阀

截止阀通过球形塞的垂直线性运动来调节流量。截止阀由阀体、阀杆、阀塞（即“阀球”）和阀盖组成。主要用于调节腐蚀性或高粘度流体。其固有的形状特征使得当阀门完全关闭时，大部分流体从排放侧排出，从而最大程度地减少了发生腐蚀或阀门堵塞的可能性。

预测截止阀内的压降

本案例用于仿真的几何结构取自GrabCAD标准截止阀，流体在模型内从左向右流动，如下图所示。CFD仿真回答了两个问题：给定压降下的最终流量是多少？它是如何根据旋塞的位置变化的？此外，还可以监测旋塞上的流体作用力，以评估结构性能。

本案例中的截止阀CAD模型

对于给定的CAD模型，其流体域尚未确定。下一步，需要根据当前几何体提取流量。这可以在SimScale平台中自动完成。

如下图所示，所得形体为阀门几何形状的负形。在做仿真准备时，增加了一个入口和出口管道延伸段，以获得足够的入口长度使流体充分流动。

阀门几何形状的负形

截止阀设计优化：仿真的最终目标

仿真的目的是计算流量系数。作为行业标准，流量系数描述了在给定压降下通过孔板、阀门或其它组件的流量。这个方程式中用加仑/分钟表示流量单位，用磅/平方英寸表示压力。比重通常设置为1，即水的比重。标准仿真参数设置包括规定穿过阀门的压降为1 psi，然后运行CFD仿真以评估流速。

开始行动：阀门仿真参数设置

规定入口处的压力边界条件为1 Psi，出口处的压力边界条件为0。在6个不同的旋塞位置（1、2、4、6、8和10 mm）进行仿真流量计算。在32核机器上同时运行6个仿真，与传统桌面CFD软件相比，极大地改善了周转时间。

使用了六边形主导自动网格，一般细度设置为中等。为了提高结果的准确性，还添加了特征细化、表面细化、区域细化和壁面层等，以进一步增强网格。

阀门网格

CFD仿真：截止阀的不可压缩分析

然后将几何图形上传到SimScale平台，并选择当流体速度远小于马赫数时进行不可压缩流动仿真。采用SST k-Ω湍流模型，以稳态方式进行分析。水被分配给单个CAD实体。该仿真使用32计算核运行了1000秒（或迭代）。

截止阀压降：结果分析

与预期的一样，最高速度出现在旋塞壁和阀座之间。一个不直观的发现是旋塞左侧的速度射流。它不是按照平行于旋塞/外壳壁的方式向外喷射，而是朝垂直方向直喷。这与旋塞右侧形成对比，后者具有更可预测的速度射流。这可以通过横截面上显示速度大小的剖面来表示

通过阀门横截面显示速度大小的后处理图像（来源：SimScale）

上图显示了不同阀塞位置开口处旋塞上的作用力。截止阀的位置与力的关系曲线难以预测，很难判断最大作用力可能出现在哪里。如上图所示，截止阀旋塞在打开2 mm时承受最大力。