重要介紹MAC電磁閥結(jié)構(gòu)示意及工作過程
    MAC電磁閥內(nèi)部流動數(shù)值模擬的控制方程組，依據(jù)數(shù)值計(jì)算要求，設(shè)定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格相結(jié)合有限體積法對控制方程組進(jìn)行離散；應(yīng)用CFD軟件對多級套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場進(jìn)行內(nèi)三維湍流流動數(shù)值模擬，分別對其壓力場、速度場和跡線分布進(jìn)行了分析。結(jié)果表明多級套筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能較好地改進(jìn)閥內(nèi)流動狀況，實(shí)現(xiàn)壓力的漸變，有效地避免汽蝕現(xiàn)象的發(fā)生。在設(shè)計(jì)過程中引入了CFD仿真實(shí)驗(yàn)，研究了多級套筒調(diào)節(jié)閥的流量特性，提高了樣機(jī)試制的成功率，縮短了開發(fā)周期，降低了成本，從而為多級套筒調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)與研究提供借鑒。
    MAC電磁閥系列，它是流體運(yùn)輸過程和工藝環(huán)路中的重要控制元件，是確保各種工藝設(shè)備正常工作的關(guān)鍵設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及日常生活各個域中。隨著技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)實(shí)踐中的各種場合都對調(diào)節(jié)閥提出了高溫、高壓、高壓差等要求。尤其是應(yīng)用于高壓差條件下的調(diào)節(jié)閥，極易在閥芯及閥座部位產(chǎn)生嚴(yán)重的沖蝕和汽蝕，并伴有的振動和噪聲現(xiàn)象。這些現(xiàn)象導(dǎo)致在高壓差條件下工作的調(diào)節(jié)閥工作性能降低、使用壽命縮短，帶來安全隱患，給工業(yè)域的安全高效運(yùn)轉(zhuǎn)帶來諸多問題，甚至導(dǎo)致嚴(yán)重事故發(fā)生。因此，研發(fā)于高壓差工況下的特殊調(diào)節(jié)閥意義重大。
    文中介紹了研發(fā)的多級套筒式調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作過程。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對多級套筒調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流場進(jìn)行內(nèi)三維湍流流動數(shù)值模擬，獲得調(diào)節(jié)閥內(nèi)部壓力、速度及跡線的分布。借助CFD仿真實(shí)驗(yàn)的方法，可以得到多級套筒調(diào)節(jié)閥的ＣＶ和流量特性曲線，提高樣機(jī)試制的成功率，縮短開發(fā)周期，避免常規(guī)設(shè)計(jì)中，憑借經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或者實(shí)際試驗(yàn)后再修改造成的周期與成本的增加，從而為多級套筒調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)與研究提供進(jìn)一步的參考。
    1 MAC電磁閥結(jié)構(gòu)及工作過程
    MAC電磁閥多用于電站、石化、化工及其他高參數(shù)工況下，工作介質(zhì)多為高溫水或過熱蒸汽。通液體時(shí)流向?yàn)閺挠蚁蜃?，液體由套筒外側(cè)流向內(nèi)側(cè)；通氣體時(shí)流向?yàn)閺淖笾劣?，氣體由套筒內(nèi)側(cè)流向外側(cè)。由于多級套筒的作用，流體在通過閥體時(shí)要經(jīng)歷一個多次逐級降壓的過程，流體每通過一層套筒壓力就會下降一次。多級套筒作為該閥的部件，可以使介質(zhì)流速的增加得到抑制，將壓力的變化控制在允許的范圍之內(nèi)，有效地避免和減輕閃蒸空化現(xiàn)象的發(fā)生以及高速流體對閥門部件的沖蝕，延長調(diào)節(jié)閥的使用壽命，并設(shè)備與系統(tǒng)的運(yùn)行。
    MAC電磁閥利用Solidworks三維實(shí)體建模軟件，對調(diào)節(jié)閥腔內(nèi)部流道建立模型。整體模型由外部閥腔流道與內(nèi)部套筒流道兩部分裝配組成，所建實(shí)體模型準(zhǔn)確地反映了調(diào)節(jié)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況。同時(shí)，為使模擬計(jì)算時(shí)流道兩端的流動得以充分進(jìn)行以及進(jìn)出口面流動呈穩(wěn)定均勻，對閥門內(nèi)部流道模型進(jìn)出口兩端都進(jìn)行了延伸，建立的流道模型如圖2所示。
    MAC電磁閥閥內(nèi)流道模型示意
    2.3 數(shù)值模擬計(jì)算及結(jié)果分析
    為了計(jì)算精度，采用以結(jié)構(gòu)性和非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格相結(jié)合的劃分方法形成網(wǎng)格。流道兩端的直管段網(wǎng)格采用Hex/Wedge（六面體/楔形）網(wǎng)格進(jìn)行劃分，中間多級套筒部分的流體通道因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以采用Tet/Hybrid（四面體/混合）網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并且為了使計(jì)算結(jié)果更加，對每一層套筒中的小孔都分別進(jìn)行了加密處理。由于計(jì)算模型是對稱的，因而取其50%進(jìn)行模擬計(jì)算，以減少網(wǎng)格數(shù)目、節(jié)省計(jì)算時(shí)間；以連續(xù)性方程、三維雷諾平均N-S方程和基于各向同性渦黏性理論的k-ε方程組成調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流動數(shù)值模擬的控制方程組，采用有限體積法對控制方程組進(jìn)行離散；根據(jù)廠方提供的系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際工況參數(shù)，該次計(jì)算的進(jìn)口處壓力為7MPa，出口處壓力為0，介質(zhì)為常溫水，密度ρ＝998.2kg/m3。
    2.3.1 壓力場分析
    壓力分布云圖如圖3所示，從中可以看出：調(diào)節(jié)閥進(jìn)、出口壓力分布比較均勻，套筒中壓力逐級穩(wěn)定下降，在閥體下腔與出口直管段處有局部低壓區(qū)域，如A處所示。此工況下，局部壓力為7.17MPa，分布在閥門進(jìn)口與外側(cè)套筒處。
    圖3 z＝0水平截面上壓力分布云圖
    2.3.2 速度場分析
    速度分布如圖4所示，入口端和閥腔內(nèi)速度分布比較均勻，出口端因受套筒節(jié)流效應(yīng)及閥體流道結(jié)構(gòu)影響速度分布較不均勻。套筒內(nèi)速度由外向內(nèi)逐級上升，在7MPa壓差的工況下，在內(nèi)側(cè)套筒中速度達(dá)到，如B處所示。在入口段及出口段流道拐角處出現(xiàn)了幾處范圍很小的閥門死區(qū)，此處流體靜止，速度為0。
    圖4 z＝0水平截面上速度分布云圖
    2.3.3 跡線
    閥內(nèi)流體跡線分布如圖5所示，跡線是單個質(zhì)點(diǎn)在連續(xù)時(shí)間內(nèi)的流動軌跡線，是拉格朗日法描述流動的一種方法，閥內(nèi)流體跡線在進(jìn)口處較為均勻，由套筒進(jìn)入閥體下腔時(shí)分布比較集中，出口處部分由于流道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)流體分布較不均勻，如C處所示。