利用CFD（计算流体动力学/流体仿真技术）判断液力扭矩系数
对于直角回转阀门而言，扭矩是指转动阀门的关闭元件（阀球、阀瓣、旋塞）或将其保持在特定位置所需的力矩。确定阀门的扭矩，对决定执行器的规格相当重要。与转轴总扭矩相关的主要因素包括阀座、轴承、填料摩擦力矩，以及流致液力扭矩。本文将探讨如何利用CFD（计算流体动力学/流体仿真技术）计算液力扭矩。
液力扭矩（Td）是一种由流体导致的，而且是纯粹因流体作用在阀门转动零件上而产生的扭矩。液力扭矩是和以下各项都相关的函数：阀门设计、阀门开度、压降和流体方向（对偏心阀而言）。业界通常的做法是利用液力扭矩系数（Cdt）计算相关运行压力下的液力扭矩。
液力扭矩系数是液力扭矩的无量纲表达式，它是阀体两端静压降和阀门尺寸决定的。液力扭矩系数的计算公式：
按照常规做法，动态扭矩（和流量）系数是通过阀门流量回路试验来确定的。该试验通常以水为试验介质，在均衡的行进流速，且完全湍流（全紊流）、无空化流的条件下，在长而直的管道中进行。
液力扭矩的计算方法是开启扭矩和关闭扭矩的平均值，因为这两个扭矩值相加，可以抵消掉摩擦扭矩。压降的测量规程是上游侧距阀门端口两倍阀门直径，下游侧距离阀门端口六倍阀门直径，分别在不同流率条件下，针对不同的阀门开度进行测量。
对于大型高压阀门，由于缺乏专门的试验设施，其动态扭矩是通过等比例缩小的产品原型估算的。但随着电脑技术的发展，可以利用计算流体动力仿真软件判断各种流体系数。
计算流体动力仿真技术
过去数十年来电脑技术不断地飞速发展，计算流体动力（CFD）已经成为工程设计的重要工具。CFD利用数字技术解算流体流动方程，不需要阀门的实体模型。流体的流动可以用电脑计算实现模拟。流体动力仿真模拟的步骤通常如下：
预处理
· 通过CAD软件的几何参数获取流体体积信息。
· 将相应体积的虚拟流体分割成有限数量的单元，以便用数字方式解算流体流动方程。
· 设定模型的边界条件。
解算
· 利用高性能电脑进行迭代计算，解算数字化的流体流动方程。
后期处理
· 最后通过后期处理，获取仿真计算的量化数据。
计算流体动力（CFD）技术利用有限单元或有限差分法，迭代解算偏微分形式的控制方程（驱动方程），从而获取流速、质量流量、压力、温度、湍流等参数，以及其它流体特性参数。这种数字仿真技术需要先将流体分割成有限数量的单元，以数字形式解算每个单元对应的偏微分控制方程，从而获知特定参数条件下，特定变量的近似值。
强大的工具
图1：流体应力作用在阀瓣上某个有限元的表面。图片来源：simulationHubAutonomousValveCFD
图1表示的是粘度和压力作用在某个有限元表面，以及应力作用点与阀瓣转轴之间的径向距离。在特定的开度下，通过计算转轴受到的总粘度扭矩和压力扭矩，我们就能获知作用在阀门动部件上的总扭矩。
“i”是接触到阀瓣的流体单元数量，Fpressure（压力）和Fviscous（粘度）分别是作用在阀瓣表面单元上的压力和粘滞应力。“r”是阀瓣表面单元与转轴之间的径向距离。“v”是流体的动粘滞率（运动粘度）。“p”是流体密度，“u”是流体流速，“x”是流动方向上的表面线性尺寸。“A”是表面单元的表面积。
Fpressure（压力）和Fviscous（粘度）分别是作用在阀瓣表面单元上的压力和粘滞应力。“r”是阀瓣表面单元与转轴之间的径向距离。“v”是流体的动粘滞率（运动粘度）。“p”是流体密度，“u”是流体流速，“x”是流动方向上的表面线性尺寸。“A”是表面单元的表面积。
计算流体动力（CFD）技术看来的确是强大的工具，能估算出液力扭矩和性能系数，但它并不是所有人都能轻松驾驭的。传统的CFD技术需要有相关技术的支 撑，比如流体体积提取、网格划分、设置边界条件。此外还需要进行后期处理，以便获得准确且有用的结果。另外，CFD仿真软件需要高性能电脑的支撑。
案例分析
下面将用CFD技术研究蝶阀在若干情况下的液力扭矩系数。
案例1：基于阀门偏心度
一台同心蝶阀和一台双偏心蝶阀，两者尺寸相同。自20°至90°，每次间隔10°，依次计算两台阀门在不同开度下的液力扭矩系数。
仿真模拟的结果（见图2）表明，同尺寸的同心阀和偏心阀，它们的液力扭矩系数是不相同的，而且最大值大约发生在开度60°至80°之间。由此可见双偏心蝶阀的扭矩是大大小于中线蝶阀的。
案例2：基于流向
对于同心蝶阀而言，Cdt（液力扭矩系数）曲线特性和流向之间没有关联，而且不会随流向改变而改变。但双偏心蝶阀的情况就不同了，由于其独特的几何结构，一旦流体方向从阀座侧变为阀轴侧，Cdt就会急剧改变。仿真分析的结果（见图3）表明，偏心蝶阀的Cdt是由流体的流向决定的。此外，当开度在80°左右，流向为转轴上游方向时，Cdt会急剧改变。
案例3: 朝向和弯头
液力扭矩纯粹是由流体作用在阀瓣上产生的，因此如果上游流体受到任何干扰，就会大幅改变液力扭矩系数。上游流体受干扰的原因主要是管道元件（例如弯头、泵、三通接头等）。下图是蝶阀和弯头在三种不同安装配置下的不同表现。显然，液力扭矩系数和阀门朝向、弯头和阀门转角密切相关。
自主CFD
对于上述种种技术要求，自主CFD可以利用智能算法和云电脑集群，自动完成上述所有步骤（CAD模型清理、流体体积提取、网格建立、解算、后期处理）。如此一来，设计师可以集中精力研究零部件的设计，所有的CDF步骤都由智能算法独立落实。专门为阀门设计师开发的simulationHub阀门自主CFD，就是这样一种工业专用的自主CFD应用软件。使用时只要将设定的几何形状和参数输入电脑，例如阀门开度参数和流体流向等，然后就可以运行软件了。与之配套的还有专门开发的一款app，可以将不同开度时的仿真结果用Cv、Kv和Cdt的形式表达出来。
总结
上述案例表明，阀门的液力扭矩系数是由多项因素共同决定的，包括系统状况、阀门设计、阀瓣位置和转动角度等。而传统的流量回路试验虽能判断操作扭矩，但对阀门设计师而言，它的分析能力还是缺乏足够的深度。
显然， 计算流体动力（CFD）技术不仅能解算动态扭矩，还能在阀门投产前分析出设计中的差错或不足之处。不仅如此，CFD技术还在不断发展，例如基于人工智能的自主CFD，以及更强大的计算能力等。可以预见，阀门设计将会迎来革命性的进步
