基于ANSYS软件的减压阀建模及流场分析

1. 减压阀的工作原理

减压阀是气动调节阀的必备部件之一，其功能是降低气源压力并维持稳定，以便于调节阀的调节控制。减压阀可以看做一个局部阻力可以调节的节流元件，通过调节旋钮来改芯和阀座之间的节流口面积，使流体的流速和压力改变，造成不同的压力损失，从而达到减压的目的。过节流口后的呼吸孔进入膜片气室，作用在膜片上的弹簧力和流体压力达到动态平衡时，减压阀的输出压力在一定的误差范围内趋于稳定。

2. 减压阀的性能指标

（1）调压范围

指减压阀输出压力Po 的可调范围，在该压力范围内达到技术规范要求的控制精度。在日常运行中，减压阀的工作压力优选为调压范围上限的 30%～80% 。调压范围主要取决于调压弹簧的刚度和膜片的一致性。

（2）流量特性

指减压阀在一定的入口压力下，出口压力与输出流量的关系。当输出流量发生变化时，输出压力的变化越小越好。一般输出压力越低，它随输出流量的变化波动就越小。

（3）压力特性

指在输出流量基本不变的条件下，出口压力和入口压力之间的关系。入口压力变化时，出口压力变化越小，减压阀的压力特性就越好。出口压力必须低于入口压力—定值，才基本上不受入口压力变化影响[1]。

如果减压阀内部结构设计不合理或者加工工艺较差，内部流场中可能存在多处涡流，这些涡流会影响阀内部件的力平衡状态，引起阀内部件振动。从而影响口压力在瞬态波动下的响应能力，降低减压阀输出的稳定性和调节精度。使用仿真软件对减压阀模型进行流场分析，根据分析结果评价减压阀性能，从而对减压阀结构进行调整。

3. ANSYS 软件介绍

ANSYS 软件是一款融合结构、流体、电场、磁场、声场分析的大型通用有限元分析软件。软件主要包括前处理模块，分析计算模块和后处理模块三部分。

（1）前处理模块提供实体建模及网格划分工具，用户可以方便快捷地建造有限元模型。

（2）分析计算模块包括结构分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。

（3）后处理模块可将计算结果以各种图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示[2]。

本次仿真试验的前处理步骤使用了 ANSYS 软件的子软件 Space Claim，分析计算和后处理过程使用了ANSYS 软件的子软件 ANSYS Fluent。

4. 减压阀的流场分析

本次仿真对象基于FISHER 公司生产的95H 型减压阀建立的模型，根据ANSYS Fluent 软件最终生成的速度云图、压力云图、矢量云图等来进行流场分析，并根据流场分析结果对减压阀性能进行评价。

4.1 减压阀建模

由于减压阀结构较为复杂，不同区域变径及组合零部件较多，导致整个流体的几何模型十分复杂，必须先构造减压阀的固体域模型，再从中抽取出流体域模型。

4.1.1 固体域建模

首先对减压阀实物进行拆解，测绘零部件尺寸。在建模过程中，需要对减压阀模型进行优化，去除不涉及到内部流场的零部件，例如调压弹簧、复位弹簧、呼吸孔、膜片等。在模型绘制过程中一定要去除可能会引起复杂网格的不必要特征，例如倒角、焊点等。

4.1.2 流体域建模

将阀芯、阀座、阀体设置为边界条件，设定模型左右两侧的出入口为流体域的边环，然后对固体域进行容积抽取，即可获得总体模型，由于仿真试验仅针对减压阀模型内部的流体，可以删除作为边界条件的阀芯、阀座、阀体等部件，仅保留流体域模型。至此，减压阀内部的流体模型建立完毕，如图2 所示。

图2 流体域模型

4.2 模型的网格划分

将流体域模型导入ANSYS Fluent 软件，并对模型进行网格划分。划分好网格的模型见图3，对变径处和节流口划分的网格更加密集，这样更有利于计算结果的收敛。

图3 模型网格划分

4.3 设置求解器

使用“粘性”模型，流体材料选择“空气”，定义左侧入口为“Inlet”，输入压力为表压 8bar。右侧出口为“Outlet”，输出压力为表压5bar，其他面均定义为边界。亚松弛因子设置如下：密度为1、体积力为1、湍流动能为0.75、比耗散率为0.75、湍流粘度为1。

4.4 运算及结果分析开始运算，得出残差曲线如图4 所示。

图4 各变量的残差曲线图

图中：m 为迭代步数，continuity 为连续性残差，x-velocity、y-velocity、z-velocity 分别代表 x、y、z 方向上的速度残差，k 为湍流强度残差，omega 为能量残差

由图5 可知，在迭代步数达到 60 步时，能量、k 以及x、y、z 方向上的速度残差曲线均已趋于平稳。如图5 所示，检查“Inlet”和“Outlet”的“质量流量”差值几乎为0，即流入和流出整个系统的质量守恒，因此可以判断所有变量的残差均已收敛。

图 5 入口和出口的质量流量

如果增大亚松弛因子，可加快收敛速度，但可能引起发散。如果减小亚松弛因子，会减慢收敛速度，使收敛更平稳，但耗时会增加[3]。残差曲线显示所采用的亚松弛因子比较理想，良好的收敛性说明模型绘制、网格划分和选用的计算方法是正确的。

定义平面“Plane-1”，取xy 平面，z 轴坐标为0m。定义平面“Plane-2”，取yz 平面，x 轴坐标为0m。绘制基于平面“Plane-1”的压力云图如图6（a）所示，绘制基于平面“Plane-1”速度云图如图6（b）所示。

从图6（a）可以看出，入口压力分布较为均匀，压缩空气通过节流口时压力下降，在阀杆两侧的上升区域压力梯度变化较为均匀，在接近出口的区域压力分布又变得较为均匀，尤其是呼吸孔附近压力稳定，无紊流现象。从图6（b）可以看出，入口处压缩空气流速分布较为均匀，当压缩空气流经节流口时，流通面积迅速减小，压力随之降低，而速度迅速增大。压缩空气在通过节流口后形成射流，从出口输出，速度下降梯度均匀。

绘制基于平面“Plane-1”的速度矢量图如图8（a）所示，绘制基于平面“Plane-2”速度矢量图如图8（b）所示。由图7（a）可以看出，入口处的压缩空气分布较为均匀，随着流通面积的减小，速度随之增大。压缩空气经阀杆右侧形成射流，从出口处输出。由图7（b）可以看出，经过节流口的压缩空气沿着阀杆向上流动，在出口处的低压所用下流向出口。