出品 |《阀门》期刊作者 |李庆，范文瀚

摘要：调节阀开度与流量特性直接影响工业过程的控制精度，流量系数C_v是评价其流通性能的核心指标。以DN100、CL150、可调比R=50的单座调节阀为对象，采用SolidWorks Flow Simulation构建三维流场模型，对10%~100%开度区间的阀门开展数值模拟，通过模型简化、节流区网格加密与规范边界条件获取速度场、压力场分布；网格独立性验证表明，中等密度网格的C_v计算偏差小于3%，满足工程精度。恒定压差下提取各开度下的稳态流量并计算C_v，结果显示C_v呈等百分比增长，小开度增长平缓、中大开度增速加快，与节流机理一致；仿真结果与R=50理论等百分比曲线在多数开度区间吻合，验证了方法的可靠性。该仿真方法为调节阀设计优化、流量特性预测与性能评估提供了有效支撑。

关键词：单座调节阀；流量系数C_v；CFD数值模拟；等百分比特性；SolidWorks Flow Simulation

基金项目：徐州市科技成果转化项目（KC23371）

1 概述

单座调节阀作为流体控制系统的核心执行单元，通过改变阀芯位置改变节流面积，从而控制介质的流量和压降，以补偿控制系统中的负载扰动，使得被控制的过程变量尽可能达到系统需要的设定点。其性能的精确性与可靠性对整个流程工业的安全、高效与稳定运行具有决定性影响。

流量系数C_v作为描述阀门通过能力的核心参数，描述了阀门在恒定压差条件下，相对流量随相对开度变化的规律。国际标准IEC60534规定了三类典型的流量特性：线性特性、等百分比特性和快速开启特性。其中，等百分比特性因其小开度段调节精细、中大开度段流量能力强，在工业应用中最为普遍。准确获得阀门在不同开度下的流量系数C_v及其随开度变化的曲线是阀门结构设计、工况匹配、选型计算以及控制回路整定的关键。传统的C_v值与流量特性测试通常依赖专用实验平台，需要在稳定的压差条件下重复测量多个开度点。这类方法虽然精度高，但周期长、成本高、测试条件严苛，难以在阀门设计前期频繁开展。随着阀门结构的复杂化和工艺工况的多样化，传统试验手段难以满足快速迭代设计的需求。

计算流体力学（CFD）为阀门内部流动预测提供了可行途径。Fluent、CFX等通用CFD软件在阀门的流场结构分析、压损预测等方面已被广泛验证。然而，这类专业CFD软件在实际应用中受到几何前处理复杂、网格划分工作量大、对操作人员专业要求高等因素的制约，难以嵌入企业日常设计流程。相比之下，SolidWorks在机械设计行业中应用广泛，企业在产品开发过程中通常需要基于SolidWorks建立完整的三维模型，用于结构设计、制造分析及装配验证。基于此，本文以单座调节阀为研究对象，采用SolidWorks的Flow Simulation模块进行流体仿真，验证其流量特性。

2 单座调节阀结构与工作原理

单座调节阀结构设计和节流区域的几何特征直接决定了阀门的调节性能及其流量特性。对其结构与工作原理的准确理解是进行数值模拟与性能分析的基础。图1为单座调节阀的结构示意图，由阀体、阀座、阀芯、阀杆及导向部件等构成。阀体提供流体通道及阀座安装位置，阀座位于阀体内部的固定位置，是形成节流区域的核心部件。阀芯通过阀杆与执行机构连接，在导向机构的约束下，沿阀轴方向作直线运动，与阀座之间形成可变的节流间隙。当执行机构接收到控制信号后，驱动阀杆带动阀芯上升或下降，从而改变节流通道的有效流通面积，实现流体流量的连续调节。

图1 单座调节阀结构示意图

当流体自阀门入口进入后，通过阀体内部的导向通道向节流区域汇集。阀体内部通常采用带有曲率过渡的S形流道结构，流体在流向转换时阻力较小，有利于减小额外的能量损失并改善流体进入节流区时的速度分布。当阀芯处于较低位置时，节流间隙较小，流体通过此区域时的局部流速较高，压力在通过最小截面后出现明显下降；随着阀门开度的增大，节流面积逐渐扩大，经过阀座处的压降相应减小，流体流动趋于平稳。

单座调节阀的调节过程本质上是节流面积随阀芯位移变化的过程。小开度下节流面积变化敏感，流量易受微小位移影响；中等开度区间节流面积增长相对均匀，调节效果更为稳定；在较大开度下，节流作用逐渐减弱，流量主要受阀体通道尺寸限制，其变化趋于平缓。

3 流量系数Cv的定义与计算理论

3.1 流量系数C_v的定义

调节阀的流量特性是描述阀门开度与流体流量之间对应关系的重要指标，是评价阀门调节性能的基础。对于采用节流原理的单座调节阀而言，随着阀芯位置的变化，节流面积呈非线性变化，不同开度下流体的流动状态变化显著，因此必须通过标准化的流量特性模型对其调节规律进行描述。

在恒定压差条件下，阀门的相对流量通常定义为实际流量与全开流量的比值，用以表征开度变化对流量的影响程度。为了量化阀门在不同开度下的通流能力，国际标准普遍采用流量系数C_v作为评价参数。根据IEC60534标准，C_v定义为在压差为1 psi、温度为60 ℉的水介质条件下，通过阀门的体积流量。

在工程计算和数值模拟中，C_v通常表达为流量与压差平方根之比。在液体不可压缩流动条件下，可写成：

式中 Q——体积流量，ft³/h

SG——介质比重

ΔP——阀门前后压差，lb/in²

3.2 阀门流量特性理论模型

在调节阀的理论研究和工程设计中，通常采用三种典型的固有流量特性型线来描述开度与流量的变化规律，分别为线性特性、等百分比特性和快开特性。图2为不同的阀芯形状和其对应的流量特性曲线，各流量特性的表达式和特点见表1。

(a)

(b)

(a)不同阀芯形状 (b)流量特性取钱

图2 不同阀芯形状与流量特性曲线图

表1 流量特性表

对于单座调节阀而言，节流面积随阀芯升程变化呈典型的非线性规律，与等百分比特性具有高度对应性，因此在阀门设计和性能评价中常以等百分比型线作为理论参考。本文在后续的数值模拟分析中，采用等百分比理论曲线作为对照模型。将模拟得到的C_v-开度关系与标准等百分比特性进行比较，以评估模拟方法对阀门固有流量特性的预测能力。

4 单座调节阀内部流场的数值模拟

4.1 三维模型与计算域的建立

本研究以可调比R=50的单座调节阀为对象，其三维模型由阀体、阀座、阀芯、阀杆及必要的前后直管段组成，如图3所示。为保证数值模拟中流体域能够被正确识别，对结构进行了密闭性检查，确保内部流道连续，不出现断面或缝隙。此外，为提高计算效率并避免局部微小特征导致不必要的网格细化，对不影响流动行为的细节，如倒角、螺纹、退刀槽等均予以删除，仅保留对节流行为有显著影响的几何区域。

依据GB/T 4213-2024《气动控制阀》，取压截面前后应具有足够长度的稳定流动段，因此在阀门前端加入长度不小于公称直径两倍的直管段，在阀门后端加入不少于公称直径六倍的出口管段，使入口速度分布得以充分发展，出口压力恢复更加稳定，有利于获得可靠的压差与流量数据。

图3 单座调节阀三维模型示意图

4.2 边界条件设定

在计算域构建完成后，对模型施加必要的物理条件。单座调节阀在工程应用中通常采用“低进高出”的流动方式，即介质自阀体下游方向进入阀腔，从阀芯下方流向上部阀座，再经阀体上部流道排出。入口设置为3 bar静压边界，出口设置为2 bar静压边界，使阀门内部形成1 bar的恒定压差。这一压差不仅符合C_v的定义要求，也能够保证流动处于湍流状态，使所得C_v具有工程意义。工作介质为常温水，在本研究压力范围内密度变化极小，采用不可压缩模型进行模拟。壁面均设置为无滑移条件，流动模型采用SolidWorks Flow Simulation默认的湍流模型。

为了获得阀门在整个开度范围内的流量特性，本研究选取10%~100%的多个典型开度作为计算工况。具体地，将阀芯的轴向位移参数化处理，按照10%、20%、…、100%的相对开度依次设置阀芯位置，在每一开度下均保持入口、出口压力等参数不变，仅改变阀芯与阀座之间的节流间隙。各开度工况相互独立进行求解，从而得到在相同压差条件下、不同开度对应的稳态通流能力。

4.3 网格划分策略

本研究采用SolidWorks Flow Simulation的自动网格生成方式，并结合局部加密策略提升关键区域的分辨能力。由于调节阀内部的流动在不同区域呈现明显的梯度差异，因此需要针对节流行为最敏感的区域进行重点网格加密，以保证模拟结果具有足够的精度。

在单座调节阀中，阀芯下端与阀座上端之间形成的下阀口节流区是整个流场中速度梯度和压力梯度最集中的位置，也是阀门整体压降的主要来源。尤其是在小开度工况下，节流间隙极为狭窄，局部流体发生剧烈加速并形成典型的收缩断面。该区域的流速峰值和压降大小直接决定了流量系数C_v的计算精度。因此，为确保能够准确捕捉节流间隙内的速度峰值与压降分布，需在此处采用最高级别的局部网格加密，并启用最小缝隙识别功能，使节流缝隙内能够布置足够数量的网格单元，避免出现节流区流动特征被过度平滑化或偏差化的情况。

此外，阀芯导向面与节流区的几何过渡区域也是速度与压力变化较敏感的部位。流体在该区域由高速节流喷射向主流道扩散，对整体压力恢复特性具有重要影响。若网格过粗，可能导致速度梯度解析不足，引起出口压力恢复计算偏差，因此对该区域的网格进行局部加密，如图4所示。

图4 节流区局部网格加密示意图

为控制整体计算量，其余不重要的区域采用较为粗糙的网格密度，因为这些区域流动发展较为平稳，对C_v的敏感性较低。通过“关键区域精细、非关键区域适中”的方法，最终获得的网格模型在节流核心区域具备足够分辨能力，同时保持了较高的计算效率。

4.4 网格独立性验证

为确保数值模拟结果不依赖于网格尺度，针对典型开度50%分别构建粗、中、细三种网格模型，其中节流区域的最小单元尺寸依次减小，而其余区域保持一致的网格加密策略。三种网格在相同边界条件下分别求解，比较其稳态体积流量与前后压差所得的流量系数C_v。三种网格方案的对比结果如表2所示。

表2 网格独立性验证结果

结果表明，粗网格在节流区的速度峰值与压降预测明显不足，而中等密度网格与细网格的C_v值差异显著减小。当中等网格与细网格的C_v偏差低于3%时，可认为计算结果已不再依赖网格尺度，满足网格独立性要求。基于精度与计算效率的综合考虑，中等密度网格被确定为后续所有开度工况的标准计算网格。

5 计算结果与流量特性分析

基于所建立的数值模型，对单座调节阀在10%~100%开度范围内的内部流动进行了稳态模拟，对不同开度条件下的压力场与速度场进行分析，提取对应工况的流量系数C_v，并与理论等百分比流量特性进行对比，以评估模拟结果的准确性与阀门本征流量特性规律。

5.1 各典型开度下的流场分布特征

图5与图6分别为20%、50%与100%三种典型开度下的速度分布与压力分布云图。可以看出，随着开度增大，节流区域几何形状发生显著变化，从而影响局部流动结构及整体压降。

(a)

(b)

(c)

(a)开度20% (b)开度50% (c)开度100%

图5 三种典型开度下的速度分布云图

(a)

(b)

(c)

(a)开度20% (b)开度50% (c)开度100%

图6 三种典型开度下的压力分布云图

在小开度（20%）时，阀芯下端与阀座之间形成极狭窄的节流缝隙，流体在此处急剧收缩并产生明显的高速喷射，速度峰值出现在节流口外侧的收缩断面位置，随后喷射流扩散，与周围流体混合形成湍流耗散。压力场显示，节流口前后存在明显的压降跳跃，这是阀门压降的主要来源。

在中开度（50%）时，节流通道面积增大，喷射效应有所减弱，速度峰值下降，主流区的扩散与再附着更加平稳，压力损失相对小开度明显降低。

在全开（100%）状态下，阀芯完全脱离阀座，节流作用显著减弱，流动趋于管道内常规压力损失特征，速度分布均匀，压降最小。

5.2 不同开度下的流量系数C_v对比

在恒定压差（入口3 bar、出口2 bar）的条件下，稳态体积流量Q可直接作为流量系数C_v。表3为各开度对应的C_v结果，C_v随开度呈典型的非线性增长趋势，小开度阶段C_v增长缓慢，而在中、大开度阶段增长加快，反映出单座调节阀固有的等百分比流量特性。

表3 单座调节阀不同开度下的模拟Cv值

5.3 模拟结果与理论等百分比流量特性对比

依据表1中等百分比公式生成理论C_v-开度曲线，并与模拟结果进行对比，结果如图7所示。

图7 模拟Cv曲线与等百分比理论曲线对比

由图7可知，小开度（10%~20%）下的模拟值略高于理论值，这是实际流动中局部湍流增强、几何敏感性影响所致。中开度（30%~70%）区间的两种曲线趋势高度一致，为调节阀的主要有效调节区间。大开度（80%~100%）区域的模拟值与理论值基本重合，均趋近最大C_v。

总体来看，模拟结果能较好地体现等百分比固有流量特性，误差在工程允许范围内（一般±10%）。

5.4 结果讨论

综合模拟与理论对比结果可得以下结论：

（1）调节阀的主要压降集中在下阀口节流区，小开度下节流效应最强，这是C_v在小开度阶段增长缓慢的主要原因。

（2）中、大开度区间的C_v-开度关系与等百分比型线吻合良好，说明阀芯结构实现了预期的等百分比调节特性。

（3）模拟曲线整体上准确反映了实际阀门的固有流量规律，其偏差主要来源于湍流模型假设与几何敏感性，属于可接受范围。

（4）最大行程、最大C_v与可调比R的设定与理论曲线匹配良好，验证了数值模型的有效性。

因此，本研究所建立的数值模型可靠，能够用于评估调节阀结构设计与流量特性预测，为调节阀优化设计提供了参考依据。

6 结语

本研究以DN100、CL150单座调节阀为对象，基于SolidWorks Flow Simulation建立三维数值模型，对阀门在不同开度下的内部流动特性及流量系数变化规律进行了系统分析。通过对理论等百分比特性曲线的计算与模拟结果的对比，获得以下主要结论：

（1）SolidWorks Flow Simulation能够有效捕捉单座调节阀节流区的高速喷射、压降集中等关键流动特征。小开度工况下，节流区出现显著的速度峰值与压降突降，主要能量损失集中于阀芯下端与阀座形成的最小流通截面处；随着开度增大，节流作用逐渐减弱，流场转向类管道流动，这是单座阀典型的节流机理，与理论分析一致。

（2）网格独立性验证表明：中等密度网格即可满足模拟精度要求。与细网格相比，中等密度网格的C_v偏差低于3%，可显著降低计算成本而不牺牲精度，为工程应用提供高效可行的CFD建模策略。

（3）模拟结果与等百分比固有流量特性吻合良好。采用可调比R=50生成的理论等百分比曲线与模拟数据相比，在中、大开度区偏差较小，整体呈一致趋势。小开度阶段的偏差主要来源于局部湍流增强、几何敏感性及收缩断面效应，属于工程允许范围。

（4）数值模拟得到的流量系数C_v随开度呈非线性增长，与单座调节阀的固有规律一致。小开度阶段C_v增长缓慢，中、大开度阶段增长加快，最终趋于最大C_v值。这一趋势符合由阀芯几何结构决定的节流面积增长规律，验证了数值模型在预测阀门通流能力方面的可靠性。

（5）该研究方法具有工程实用性。本研究建立的基于SolidWorks的流场模拟流程，包括模型简化原则、节流区局部加密策略、边界条件设定方法及C_v提取方式，可直接应用于单座阀产品设计、流量特性预测及调节性能评估。

*本文节选自《阀门 · 学术版》2026年第2期，文章内容不代表《阀门》立场，如有不同观点，可以留言讨论，友好交流，共同进步