流体机械

开度/%	$A r$ /mm²	$x$ /mm	$y$ /mm
10	30.26	0.097	0.167
20	44.38	0.143	0.245
30	65.15	0.210	0.360
40	95.29	0.309	0.527
50	138.87	0.454	0.768
60	200.51	0.664	1.110
70	287.12	0.969	1.593
80	404.80	1..401	2.251
90	560.00	2.010	3.124
100	754.33	2.844	4.224

开度/%

A r

/mm²

x

/mm

y

/mm

30.26

0.097

0.167

44.38

0.143

0.245

65.15

0.210

0.360

95.29

0.309

0.527

138.87

0.454

0.768

200.51

0.664

1.110

287.12

0.969

1.593

404.80

1..401

2.251

560.00

2.010

3.124

100

754.33

2.844

4.224

开度/%	$A r$ /mm²	$x$ /mm	$y$ /mm
10	30.26	0.097	0.167
20	44.38	0.143	0.245
30	65.15	0.210	0.360
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70	287.12	0.969	1.593
80	404.80	1..401	2.251
90	560.00	2.010	3.124
100	754.33	2.844	4.224

开度/%

A r

/mm²

x

/mm

y

/mm

30.26

0.097

0.167

44.38

0.143

0.245

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0.210

0.360

95.29

0.309

0.527

138.87

0.454

0.768

200.51

0.664

1.110

287.12

0.969

1.593

404.80

1..401

2.251

560.00

2.010

3.124

100

754.33

2.844

4.224

网格编号	单元尺寸/mm	K_v/（m³·h^-1）	相对误差/%
粗网格	5.0	—	—
中等网格	2.5	3.313 8	1.96
细网格	1.0	3.386 1	0.22
超细网格	0.5	3.393 7	—

网格编号

单元尺寸/mm

K_v/（m³·h^-1）

相对误差/%

粗网格

5.0

—

中等网格

2.5

3.313 8

1.96

细网格

1.0

3.386 1

0.22

超细网格

0.5

3.393 7

—

网格编号	单元尺寸/mm	K_v/（m³·h^-1）	相对误差/%
粗网格	5.0	—	—
中等网格	2.5	3.313 8	1.96
细网格	1.0	3.386 1	0.22
超细网格	0.5	3.393 7	—

网格编号

单元尺寸/mm

K_v/（m³·h^-1）

相对误差/%

粗网格

5.0

—

中等网格

2.5

3.313 8

1.96

细网格

1.0

3.386 1

0.22

超细网格

0.5

3.393 7

—

开度/%	$K v$ 验证值	$K v'$ 规定值	允许偏差/%	实际偏差/%
10	0.66	0.95	20.22	30.53
20	1.02	1.40	18.70	27.14
30	1.60	2.07	17.29	22.61
40	2.44	3.06	16.00	20.26
50	3.75	4.53	14.79	17.22
60	5.73	6.69	13.68	14.35
70	8.80	9.90	12.65	11.11
80	13.68	14.63	11.69	6.50
90	21.02	21.64	10.82	2.87
100	29.14	32.00	10.00	8.94

开度/%

K v

验证值

K v'

规定值

允许偏差/%

实际偏差/%

0.66

0.95

20.22

30.53

1.02

1.40

18.70

27.14

1.60

2.07

17.29

22.61

2.44

3.06

16.00

20.26

3.75

4.53

14.79

17.22

5.73

6.69

13.68

14.35

8.80

9.90

12.65

11.11

13.68

14.63

11.69

6.50

21.02

21.64

10.82

2.87

100

29.14

32.00

10.00

8.94

开度/%	$K v$ 验证值	$K v'$ 规定值	允许偏差/%	实际偏差/%
10	0.66	0.95	20.22	30.53
20	1.02	1.40	18.70	27.14
30	1.60	2.07	17.29	22.61
40	2.44	3.06	16.00	20.26
50	3.75	4.53	14.79	17.22
60	5.73	6.69	13.68	14.35
70	8.80	9.90	12.65	11.11
80	13.68	14.63	11.69	6.50
90	21.02	21.64	10.82	2.87
100	29.14	32.00	10.00	8.94

开度/%

K v

验证值

K v'

规定值

允许偏差/%

实际偏差/%

0.66

0.95

20.22

30.53

1.02

1.40

18.70

27.14

1.60

2.07

17.29

22.61

2.44

3.06

16.00

20.26

3.75

4.53

14.79

17.22

5.73

6.69

13.68

14.35

8.80

9.90

12.65

11.11

13.68

14.63

11.69

6.50

21.02

21.64

10.82

2.87

100

29.14

32.00

10.00

8.94

开度/%	$K v$	$K v' (N i)$	允许偏差/%	实际偏差/%
10	0.98	0.95	20.22	3.16
20	1.52	1.40	18.70	8.57
30	2.26	2.07	17.29	9.18
40	3.39	3.06	16.00	10.78
50	4.98	4.53	14.79	9.93
60	7.16	6.69	13.68	7.03
70	9.93	9.90	12.65	0.30
80	14.56	14.63	11.69	0.48
90	21.11	21.64	10.82	2.45
100	29.14	32.00	10.00	8.94

开度/%

K v

K v' (N i)

允许偏差/%

实际偏差/%

0.98

0.95

20.22

3.16

1.52

1.40

18.70

8.57

2.26

2.07

17.29

9.18

3.39

3.06

16.00

10.78

4.98

4.53

14.79

9.93

7.16

6.69

13.68

7.03

9.93

9.90

12.65

0.30

14.56

14.63

11.69

0.48

21.11

21.64

10.82

2.45

100

29.14

32.00

10.00

8.94

开度/%	$K v$	$K v' (N i)$	允许偏差/%	实际偏差/%
10	0.98	0.95	20.22	3.16
20	1.52	1.40	18.70	8.57
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40	3.39	3.06	16.00	10.78
50	4.98	4.53	14.79	9.93
60	7.16	6.69	13.68	7.03
70	9.93	9.90	12.65	0.30
80	14.56	14.63	11.69	0.48
90	21.11	21.64	10.82	2.45
100	29.14	32.00	10.00	8.94

开度/%

K v

K v' (N i)

允许偏差/%

实际偏差/%

0.98

0.95

20.22

3.16

1.52

1.40

18.70

8.57

2.26

2.07

17.29

9.18

3.39

3.06

16.00

10.78

4.98

4.53

14.79

9.93

7.16

6.69

13.68

7.03

9.93

9.90

12.65

0.30

14.56

14.63

11.69

0.48

21.11

21.64

10.82

2.45

100

29.14

32.00

10.00

8.94

开度/%	净压差/kPa	水流量/（m³·h^-1）	$K v$	$K v, a v g$
100	97.48	34.5	34.94	34.85
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117.18	16.6	15.33
98.15	15.1	15.24
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126.36	11.4	10.14
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94.24	4.5	4.64
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106.67	3.4	3.29
85.89	3.1	3.34
30	132.31	2.6	2.26	2.27
92.63	2.2	2.29
70.92	1.9	2.26
20	101.35	1.7	1.69	1.71
133.55	2.0	1.73
163.65	2.2	1.72
10	166.07	1.8	1.40	1.41
139.77	1.7	1.44
113.58	1.5	1.41

开度/%

净压差/kPa

水流量/（m³·h^-1）

K v

K v, a v g

100

97.48

34.5

34.94

34.85

60.17

27.0

34.81

75.35

30.2

34.79

118.66

26.2

34.05

24.42

95.90

24.2

24.71

80.02

21.9

24.48

137.63

18.0

15.34

15.31

117.18

16.6

15.33

98.15

15.1

15.24

151.76

12.5

10.15

10.16

126.36

11.4

10.14

106.40

10.5

10.18

156.93

8.5

6.79

6.84

120.36

7.5

6.84

94.63

6.7

6.89

142.48

5.6

4.69

4.68

122.00

5.2

4.71

94.24

4.5

4.64

138.35

3.9

3.32

106.67

3.4

3.29

85.89

3.1

3.34

132.31

2.6

2.26

2.27

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2.2

2.29

70.92

1.9

2.26

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1.7

1.69

1.71

133.55

2.0

1.73

163.65

2.2

1.72

166.07

1.8

1.40

1.41

139.77

1.7

1.44

113.58

1.5

1.41

开度/%	净压差/kPa	水流量/（m³·h^-1）	$K v$	$K v, a v g$
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90	118.66	26.2	34.05	24.42
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120.36	7.5	6.84
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133.55	2.0	1.73
163.65	2.2	1.72
10	166.07	1.8	1.40	1.41
139.77	1.7	1.44
113.58	1.5	1.41

开度/%

净压差/kPa

水流量/（m³·h^-1）

K v

K v, a v g

100

97.48

34.5

34.94

34.85

60.17

27.0

34.81

75.35

30.2

34.79

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26.2

34.05

24.42

95.90

24.2

24.71

80.02

21.9

24.48

137.63

18.0

15.34

15.31

117.18

16.6

15.33

98.15

15.1

15.24

151.76

12.5

10.15

10.16

126.36

11.4

10.14

106.40

10.5

10.18

156.93

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6.79

6.84

120.36

7.5

6.84

94.63

6.7

6.89

142.48

5.6

4.69

4.68

122.00

5.2

4.71

94.24

4.5

4.64

138.35

3.9

3.32

106.67

3.4

3.29

85.89

3.1

3.34

132.31

2.6

2.26

2.27

92.63

2.2

2.29

70.92

1.9

2.26

101.35

1.7

1.69

1.71

133.55

2.0

1.73

163.65

2.2

1.72

166.07

1.8

1.40

1.41

139.77

1.7

1.44

113.58

1.5

1.41

开度/%	$K v$	$K v'$	允许偏差/%	实际偏差/%
10	1.41	0.95	20.22	48.42
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60	6.84	6.69	13.68	2.24
70	10.16	9.90	12.65	2.63
80	15.31	14.63	11.69	4.65
90	24.42	21.64	10.82	12.85
100	34.85	32.00	10.00	8.91

开度/%

K v

K v'

允许偏差/%

实际偏差/%

1.41

0.95

20.22

48.42

1.71

1.40

18.70

22.14

2.27

2.07

17.29

9.66

3.32

3.06

16.00

8.50

4.68

4.53

14.79

3.31

6.84

6.69

13.68

2.24

10.16

9.90

12.65

2.63

15.31

14.63

11.69

4.65

24.42

21.64

10.82

12.85

100

34.85

32.00

10.00

8.91

开度/%	$K v$	$K v'$	允许偏差/%	实际偏差/%
10	1.41	0.95	20.22	48.42
20	1.71	1.40	18.70	22.14
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开度/%

K v

K v'

允许偏差/%

实际偏差/%

1.41

0.95

20.22

48.42

1.71

1.40

18.70

22.14

2.27

2.07

17.29

9.66

3.32

3.06

16.00

8.50

4.68

4.53

14.79

3.31

6.84

6.69

13.68

2.24

10.16

9.90

12.65

2.63

15.31

14.63

11.69

4.65

24.42

21.64

10.82

12.85

100

34.85

32.00

10.00

8.91

直通单座调节阀节流型线设计方法

徐滟 ¹ , 张佳乐 ¹ , 吴志军 ² , 李忠 ³

流体机械 | 设计计算 2026,54(6): 86-94

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流体机械 |设计计算 2026 , 54 (6) : 86 -94

直通单座调节阀节流型线设计方法

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徐滟¹, 张佳乐¹, 吴志军², 李忠³

作者信息

¹合肥大学，合肥 230601

²安徽省屯溪高压阀门股份有限公司，安徽黄山 245000

³合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031

通讯作者:

吴志军（1983），男，高级工程师，主要从事工业阀门设计研究工作，通信地址：245000安徽省黄山市黄山高新区梅林大道55号安徽省屯溪高压阀门股份有限公司，E-mail：wzj@tunfa.com。

作者简介:

徐滟（1969），女，副教授，主要从事通用机械及化工装备研究工作，通信地址：230601安徽省合肥市经济技术开发区锦绣大道99号合肥大学机械工程系40幢328室，E-mail：xuyww@163.com。

Design method for throttling profile of straight‑through single‑seat control valve

Yan XU¹, Jiale ZHANG¹, Zhijun WU², Zhong LI³

Affiliations

¹Hefei University，Hefei 230601，China

²Anhui Tunxi High Pressure Valve Co.，Ltd.，Huangshan 245000，China

³Hefei General Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230031，China

出版时间: 2026-06-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.06.011

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摘要

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针对直通单座调节阀节流型线设计步骤繁琐、设计周期较长的问题，提出一种基于孔板节流模型并结合流阻系数变化的阀芯型线高效设计方法。通过建立任意开度下调节阀有效流通面积的计算模型，推导出等值面积曲线的解析式，进而获得阀芯型面坐标的数学表达式。基于该阀芯节流型线设计方法，初步建立具有等百分比流量特性的DN50直通单座调节阀模型，按照GB/T 30832—2014试验要求设置模拟条件，开展数值模拟分析，并对该调节阀进行流量系数试验测试。结果表明，初始设计在60%开度以下的流量系数模拟偏差超出了IEC 60534-2-4：2009标准规定的允许范围；采用结构特性与固有流量特性相互映射迭代的方法对阀芯型线进行优化后，全开度范围内的模拟偏差降至0.30%~10.78%，符合标准要求。优化后的调节阀在主要工作区间及全开工况下的实测偏差为2.24%~9.66%，符合IEC 60534-2-4：2009标准的精度要求，其流量特性趋近等百分比固有流量特性。研究为简化阀芯型线的设计流程、提高设计效率提供参考。

关键词

调节阀 / 孔板节流模型 / 节流型线 / 固有流量特性

Abstract

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To address the issues of cumbersome design procedures and long design cycles for the throttling profile of straight‑through single‑seat control valves，a high‑efficiency design method for the valve plug profile based on an orifice throttling model combined with variations in flow resistance coefficient is proposed.By establishing a calculation model for the effective flow area of the control valve at arbitrary openings，the analytical expression for the equal‑area curve is derived，and subsequently the mathematical expression for the valve plug profile coordinates is obtained.Based on this valve plug throttling profile design method，a preliminary DN50 straight‑through single‑seat control valve model with equal percentage flow characteristic is established.Simulation conditions are set according to the test requirements of GB/T 30832—2014，numerical simulation analysis is carried out，and flow coefficient tests are conducted on the control valve.The results show that the initial design exhibits flow coefficient simulation deviations beyond the allowable range specified in IEC 60534-2-4：2009 for openings below 60%.After optimizing the valve plug profile using an iterative method that mutually maps the structural characteristics and inherent flow characteristics，the simulation deviations across the full opening range are reduced to 0.30%~10.78%，meeting the standard requirements.The measured deviations of the optimized control valve under the main operating range and full‑open conditions are 2.24%~9.66%，meeting the accuracy requirements of the IEC 60534-2-4：2009 standard，and its flow characteristic approaches the equal percentage inherent flow characteristic.This study provides a reference for simplifying the design process of valve plug profiles and improving design efficiency.

Key words

control valve / orifice throttling model / throttling profile / inherent flow characteristic

引用本文

徐滟, 张佳乐, 吴志军, 李忠. 直通单座调节阀节流型线设计方法. 流体机械, 2026 , 54 (6) : 86 -94 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.06.011

Yan XU, Jiale ZHANG, Zhijun WU, Zhong LI. Design method for throttling profile of straight‑through single‑seat control valve[J]. Fluid Machinery, 2026 , 54 (6) : 86 -94 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.06.011

正文

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0　前言

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在阀芯型线的传统设计中，主要依赖基于流量试验的反复迭代修正以趋近理想型线，存在设计周期长、流程繁琐及工作负荷大等问题。近年来，阀芯曲面设计方法逐步丰富，涌现出多种针对性解决方案：王渭等^［1］基于相似性原理提出了解析设计方法；尚宣等^［2］采用Chebyshev多项式拟合进行阀芯型线设计；孙涛等^［3］融合流场仿真、遗传算法、BP神经网络与正交试验，构建了改进的神经网络阀芯型面优化策略；张新标^［4］提出了参数化定义的阀芯优化思路，并研究了内腔形态特性；王国荣等^［5］依据流量-压差-过流面积关系，采用曲线包络法实现阀芯轮廓设计，实现了开度与压降的线性控制；AMIRANTE等^［6］结合CFD与遗传算法开展阀芯优化；JANISZKIEWICZ等^［7］则集成CFD、Kriging代理模型与遗传算法，以提高优化效率。

然而，现有解析设计方法在描述调节阀结构特性时仍存在局限。传统方法通常假设阀前后的压差恒定且流阻系数为定值^［8-10］，进而得出相对流量与相对流通面积成正比的结论。实际上，流阻系数随阀门开度动态变化，导致理论假设与工程实际存在偏差。此外，针对不同可调比的调节阀，常需通过实验分别测定流阻系数或流通面积关系^［1，11］，这一过程仍显冗长。

为此，本文引入节流孔板的局部阻力系数公式，分析调节阀流阻系数随开度变化的规律，以克服传统设计中的理论局限。基于孔板模型并结合阀门结构特性，针对DN50等百分比调节阀，提出一种阀芯型线设计方法，并通过流体仿真实验验证，获得更符合固有流量特性的阀芯节流型线。

1　调节阀流通面积的计算

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调节阀的节流原理与孔板类似^［12-14］。如图1所示，调节阀可视为阀座孔径与接管内径相同的阀体，其节流部分可近似为孔板^［15］。图中，p₁，p₂为阀前压力和阀后压力；V₁，V₂为阀前流速和阀后流速；Q为流量；d为阀座直径；d_k为孔板节流面积的当量直径；d_j为调节阀接管直径。孔板节流模型具有对称、直通的流动路径，流体轴线方向不变，流场关于管道中心线对称。节流断面呈标准的圆形薄壁孔，流体在此处形成缩脉。能量损失主要集中于孔板前后突缩与突扩的局部阻力。

直通单座调节阀模型的流动路径为非对称、多曲折式，依次为入口收缩、第一次90°转向、流经阀芯导向部位形成的间隙、环形间隙节流、第二次90°转向及阀后扩张。节流断面为环形缝隙，其形状随开度和阀芯型线而变化。

直通单座调节阀的能量损失主要来源于流阻，该流阻由两部分构成：一是阀体结构引起的固定流阻，二是阀芯与阀座间因可变节流面积产生的可变流阻。其中，可变节流部分的作用机理与孔板模型一致，可借助该模型进行分析。基于此，提出一种结合孔板节流模型与流阻系数变化的阀芯型线设计方法。

根据标准GB/T 17213.1—2015《工业过程控制阀第1部分：控制阀术语和总则》，调节阀实际应用流量方程如下：

Q = 5.09 A ξ 10 Δ P ρ

（1）

式中，Q为体积流量，m³/s；A为有效流通面积，cm²；

ξ

为流阻系数；

Δ P

为静压损失，MPa；

ρ

为流体密度，kg/m³。

由于GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》中减压孔板与节流孔板模型相似，故采用该规范附录D中关于减压孔板局部阻力系数的计算公式：

ξ = 1.75 d j 2 d k 2 × 1.1 - d k 2 / d j 2 1.175 - d k 2 / d j 2 - 1 2

（2）

式中，d_k为减压孔板的孔口直径，m；d_j为孔板连接管道直径，m。

根据孔板结构，可将式（2）变形为：

ξ = 1.75 A A r × 1.1 - A r / A 1.175 - A r / A - 1 2

（3）

式中，

A r

为节流面积，cm²。

文献［1］基于孔板节流模型，给出的不同开度下阀芯喉部节流面积

A r

的表达式如下：

A r = A K v s f h C c 5.09 A + K v s f h

（4）

式中，K_vs为额定流量系数；f（h）为固有流量特性，f（h）=K_v/K_vs；C_c为收缩系数。

调节阀某一开度下的流量系数K_v计算式如下：

K v = 5.09 A / ξ

（5）

联立式（4）（5），得到节流面积

A r

的表达式：

A r = A C c 1 + ξ

（6）

联立式（3）（6），得出收缩比

C c

的表达式：

C c = 1.175 - A r / A 1.75 × 1.1 - A r / A

（7）

联立式（4）（7），得到节流面积

A r

的表达式：

A r = A 2 1.175 + 1.75 K v 5.09 A + K v - 1.175 + 1.75 K v 5.09 A + K v 2 - 7.7 K v 5.09 A + K v 1 / 2

（8）

2　阀芯型面设计方法

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已知调节阀阀座孔半径R_s、固有可调比R、阀芯工作行程L、额定流量系数K_vs及公称通径DN，当阀芯与阀座处于不同开度时，流通面积的变化使调节阀的流量特性呈等百分比特性。由节流面积表达式确定各开度下的流通面积，据此设计阀芯型面。图2示出阀芯与阀座流通面积，图中，节流面积A_r为截锥体M₁N₁N₂M₂的侧面积，M₁N₁为阀芯法线，长度为l。

当阀芯处于某一开度时，仅需保证该开度下的节流面积A_r，即可满足对应的流量要求。

由图2可得，节流面积A_r的表达式如下：

A r = π R s + r l

（9）

式中，

R s

为调节阀阀座孔半径，cm；r为调节阀在某一开度下，阀座与阀芯之间最小流通面积时阀芯的半径，cm；l为调节阀在某一开度下，阀芯与阀座的最短距离，cm。

图3示出等值面积曲线示意。图中，点N₁~N₁₀为调节阀在开度10%~100%时对应的阀芯坐标。由此可得法线长度l的表达式：

l = x 2 + y 2

（10）

根据图3中坐标系，调节阀在某一开度下的阀芯半径r的表达式如下：

r = R s - x

（11）

联立式（9）~（11），可得平截圆锥体侧表面等值面积曲线方程：

x 2 + y 2 = A r 2 π 2 2 R s - x 2

（12）

为简化计算模型，分别令

x = 0

和

y = 0

，求得对应的

y 0

与

x 0

（

y 0 > 0

，

x 0 > 0

）：

y 0 = A r 2 π R s x = 0 x 0 = R s - R s 2 - A r π y = 0

（13）

利用式（13）计算阀芯型面一侧的参数，并通过对称性确定另一侧。为简化计算，当

y 0 / x 0 ≥ 0.9

时，可用半径

Z ≈ (x 0 + y 0) / 2

的圆弧替代等值面积曲线，这已能满足实际调节精度要求^［16］。

综上所述，当用半径Z的圆弧替代等值面积曲线时，l=Z。联立式（9）~（11）可得阀芯横坐标x的表达式，再联立式（12）得到y与x的关系，从而获得阀芯型线坐标（x，y）的表达式。随着开度i减小，阀芯相对阀座沿y轴负方向移动，其纵坐标减小（1-i）L，横坐标不变。因此，开度i下的阀芯型线坐标（x，y）如下：

x i = 2 R s - 2 A r i / π R s - R s 2 - A r i π + A r i 2 π R s

（14）

y i = R s + A r i 2 π R s - R s 2 - A r i π / 2 2 - 2 R s - 2 A r i / π R s - R s 2 - A r i π + A r i 2 π R s 2 1 / 2 + 1 - i L

（15）

3　阀芯型面设计

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设计一台DN50、固有流量特性为等百分比型的直通单座调节阀。已知额定流量系数

K v s

=32，固有可调比R=50，额定行程为L=25 mm，阀座孔半径

R s =

25 mm，工作介质为水。根据等百分比特性公式

K v / K v s = R h - 1

，求得各开度下设计规定的流量特性。分别计算开度10%，20%，30%，…，100%时阀芯型线的坐标，结果见表1。

根据阀芯型面设计方法及表1计算结果，得到等百分比型调节阀阀芯设计图（见图4）。在此基础上建立调节阀三维模型并开展流体仿真，获得其实际流量特性，进而与固有流量特性进行对比，以评估各开度下的偏差值是否满足IEC 60534-2-4：2009 Industrial‑process control valves-Part 2-4：Flow capacity-Inherent flow characteristics and rangeability的规定。

4　数值验证

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根据表1计算结果，建立DN50等百分比特性调节阀模型，如图5所示，并借助流体仿真软件对不同开度下的模型进行模拟分析^［17-18］。

依据图5所示模型尺寸构建三维流体模型。为确保阀门内部流场模拟结果的准确性，管道设置严格参照GB/T 30832—2014《阀门流量系数和流阻系数试验方法》，将调节阀进口接管加长至5倍管径，出口接管加长至10倍管径。网格划分采用四面体方法；针对小开度工况，额外依据坐标系影响范围进行局部网格加密处理。经网格无关性验证，网格质量不低于0.4。

为确保数值计算结果的可靠性与收敛性，并消除网格尺寸对模拟结果的影响，开展网格无关性验证。验证过程中保持边界条件、求解器设置、物理模型等关键参数不变，仅通过调整网格密度分析其对调节阀各开度流量计算结果的影响，最终选取兼顾计算精度与效率的网格方案。以40%开度为例，设计4组阀芯处单元尺寸不同的网格方案，选取流量系数

φ

作为评估指标。当相对误差

φ n + 1 - φ n / φ n + 1 × 100

%<1%时（

φ n

为第n组网格的计算结果，

φ n + 1

为第n+1组网格的计算结果），认为计算结果基本不受网格影响。具体参数如表2所示。

根据网格无关性验证结果，可以看出，当网格尺寸由1 mm减小至0.5 mm时，流量变化仅为1%。这表明1 mm网格适用于调节阀40%开度工况的模拟计算，其结果已满足网格无关性要求。所选用的网格模型见图6。

在流体仿真软件中，将边界条件设置为压力入口（0.35 MPa）与压力出口（0.25 MPa），湍流计算选用标准k-ε模型，收敛精度设为10^-5，迭代计算直至收敛。数值验证结果见表3。

图7示出调节阀在40%开度下的流场迹线图（颜色表示不同的粒子）。可以看出，流体流经阀芯喉部后，在阀座下游区域发生了显著的流动分离，形成一个大尺度的回流涡旋结构。该涡旋区是局部能量耗散的主要区域，造成较高的压力损失。模拟结果表明，调节阀在60%以下开度时，其流量系数与设计规定的固有流量系数的偏差超出了IEC 60534-2-4：2009规定的允许范围。因此，需对图4中按等百分比流量特性设计的阀芯进行修正^［19］。根据表3数据，在同一坐标系内绘制设计模型的等百分比流量特性曲线与固有等百分比流量特性随相对行程变化的曲线，如图8所示。其中，固有等百分比流量特性指相对行程的等值增量对应流量系数的等百分比增量；设计模型的等百分比流量特性亦同此定义。

图8示出水温为5~40 ℃时，水流经调节阀、两端压差为100 kPa条件下测得的流量系数K_v。其中，横坐标h表示某一开度下的行程与额定行程之比。

可以看出，调节阀在各开度下的流量特性与固有流量特性存在一定偏差。造成偏差的可能因素包括：阀体结构引起的流阻、介质流经两次90°转向产生的能量损失，以及阀芯型面设计时简化计算模型所引入的误差等。因此，需对阀芯型线进行优化。

在等百分比固有流量特性曲线的全行程范围内，设相对行程

N i

处的流量系数为

K v' (N i)

。同开度下，设计模型的等百分比流量特性曲线对应的流量系数小于

K v' (N i)

，且在相对行程60%以下不满足要求。当设计模型流量系数等于

K v' (N i)

时，对应的相对行程为

N i + 1

。将

N i + 1

处设计模型的节流面积

A r (N i + 1)

赋予

N i

处的

A r (N i)

，使设计模型在

N i

处的流量系数与固有流量特性曲线对应行程的流量系数相等。这一修正等效于将

N i

处阀芯-阀座型面最小间隙替换为

N i + 1

处的最小间隙，从而实现

A r (N i) = A r (N i + 1)

。同理，在相对行程坐标轴上选取n个点，按上述方法修正阀芯-阀座型面最小间隙，即可得到优化后的阀芯型线，如图9所示。

运用流体仿真软件对不同开度下的调节阀模型进行模拟分析。根据IEC 60534-2-4：2009标准，阀门流量系数相对于设计规定值的允许偏差范围为±10（1/ϕ）^0.2%（ϕ为相对流量系数）。对于通径DN50、固有可调比R=50的调节阀，计算可得该允许偏差随开度减小而单调增大，范围从10%增至20.22%，各开度对应偏差值见表4。

由图10可见，仿真所得流量特性曲线与设计规定的流量特性曲线均呈等百分比增长趋势。从图10（a）中可以看出，修正前的阀芯在60%开度以下的仿真流量系数偏差超出标准允许范围；经阀芯型线修正后，全开度范围内的仿真结果均符合IEC标准要求。最终设计的阀芯使调节阀具有良好的等百分比流量特性。

5　试验验证

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按照GB/T 30832—2014标准，对DN50直通单座调节阀进行流量系数测试。试验介质为5~40 ℃的水，温度偏差不超过±3 ℃。测试系统如图11所示。安装时应保证管道、阀门及仪表的同轴度满足要求，密封良好且无泄漏。密封垫片内径应大于管道内径，管道内壁应光滑连续，无凸台、棱边等阻碍流体的结构。

阀门实物如图12所示。阀门全开后启动水泵，排尽管路内空气，确保管路完全充水。测试时，上游提供稳定来流并保持紊流状态，被试阀门前后压差控制在100 kPa左右。将阀门设定至某一开度，通过调节下游控制阀改变试验压差，待工况稳定后记录流量与压差；每种开度下重复测量不少于3次。采集各开度下的流量系数并取平均值K_v_，age作为该开度的测定结果，如表5所示。

将设计模型的流量特性与直通单座调节阀的固有流量特性进行对比，检查各开度下的流量偏差是否在允许范围内（见表6），并分析偏差产生的原因。表中数据显示，阀门在10%，20%及90%开度下的偏差超出规定范围。分析试验过程与结果可知，偏差的产生原因随阀门开度区间不同而存在差异：小开度（10%，20%）误差主要源于低雷诺数效应、流束收缩与边界层分离；大开度（90%）误差则主要由阀体流道阻力、流动扩压损失及管路耦合效应主导。这两类偏差均反映出标准流量系数模型对实际流动特性的表征不足；此外，理论模型中的经验参数与试验仪器仪表及传感器之间的测量误差相叠加，共同构成了部分开度下理论计算与试验偏差的根本原因。

除上述开度外，阀门在30%~80%开度区间及100%全开工况下的流量系数试验偏差均满足IEC 60534-2-4：2009标准的相关规定。在符合要求的开度范围内，实测偏差区间为2.24%~9.66%，低于各开度对应的允许偏差阈值（10.00%~17.29%）。同时，试验测得的流量系数随开度的变化规律与固有流量特性基本吻合，表明阀门整体流量特性趋近设计预期的固有流量特性。

6　总结

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（1）基于孔板节流原理，并结合等径管道内孔板局部阻力系数的经验公式，推导出调节阀在不同开度下的节流面积表达式，从而建立了覆盖全开度范围的节流面积定量计算模型。

（2）根据调节阀的结构特性及流阻系数随开度的变化规律，针对DN50调节阀，通过节流面积分析推导出截锥体侧表面的等值面积曲线方程，并基于模型简化，推导出阀芯型线坐标的数学表达式，从而形成了一种有效的阀芯型面设计方法。

（3）以DN50等百分比流量特性直通单座调节阀为对象，计算各开度下的阀芯型线坐标。流体仿真模拟验证结果表明，初始设计在60%开度以下的模拟偏差超出标准规定。经基于固有流量特性的开度参数迭代修正后，全开度模拟偏差降至0.30%~10.78%，符合IEC 60534-2-4：2009标准要求。

（4）阀门在10%，20%和90%开度下的流量系数偏差超出标准规定，主要受低雷诺数效应、流束收缩及阀体流道阻力等因素共同作用。在30%~80%及100%开度下，实测偏差为2.24%~9.66%，均符合IEC 60534-2-4：2009标准的偏差要求。试验流量系数随开度的变化趋势与固有流量特性基本吻合，阀门整体流量特性趋近设计预期，验证了该调节阀节流型线设计方法的合理性及流量调节性能的可靠性。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2026年第54卷第6期

157

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2026.06.011

接收时间：2025-11-20
首发时间：2026-10-22
出版时间：2026-06-30

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收稿日期：2025-11-20
修回日期：2026-05-12

基金

作者信息

¹合肥大学，合肥 230601

²安徽省屯溪高压阀门股份有限公司，安徽黄山 245000

³合肥通用机械研究院有限公司，合肥 230031

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https://castjournals.cast.org.cn/joweb/ltjx/CN/10.3969/j.issn.1005-0329.2026.06.011

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

开度/%	$A r$ /mm²	$x$ /mm	$y$ /mm
10	30.26	0.097	0.167
20	44.38	0.143	0.245
30	65.15	0.210	0.360
40	95.29	0.309	0.527
50	138.87	0.454	0.768
60	200.51	0.664	1.110
70	287.12	0.969	1.593
80	404.80	1..401	2.251
90	560.00	2.010	3.124
100	754.33	2.844	4.224

开度/%

A r

/mm²

x

/mm

y

/mm

30.26

0.097

0.167

44.38

0.143

0.245

65.15

0.210

0.360

95.29

0.309

0.527

138.87

0.454

0.768

200.51

0.664

1.110

287.12

0.969

1.593

404.80

1..401

2.251

560.00

2.010

3.124

100

754.33

2.844

4.224

网格编号	单元尺寸/mm	K_v/（m³·h^-1）	相对误差/%
粗网格	5.0	—	—
中等网格	2.5	3.313 8	1.96
细网格	1.0	3.386 1	0.22
超细网格	0.5	3.393 7	—

网格编号

单元尺寸/mm

K_v/（m³·h^-1）

相对误差/%

粗网格

5.0

—

中等网格

2.5

3.313 8

1.96

细网格

1.0

3.386 1

0.22

超细网格

0.5

3.393 7

—

开度/%	$K v$ 验证值	$K v'$ 规定值	允许偏差/%	实际偏差/%
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30	1.60	2.07	17.29	22.61
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开度/%

K v

验证值

K v'

规定值

允许偏差/%

实际偏差/%

0.66

0.95

20.22

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1.40

18.70

27.14

1.60

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12.65

11.11

13.68

14.63

11.69

6.50

21.02

21.64

10.82

2.87

100

29.14

32.00

10.00

8.94

开度/%	$K v$	$K v' (N i)$	允许偏差/%	实际偏差/%
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20	1.52	1.40	18.70	8.57
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70	9.93	9.90	12.65	0.30
80	14.56	14.63	11.69	0.48
90	21.11	21.64	10.82	2.45
100	29.14	32.00	10.00	8.94

开度/%

K v

K v' (N i)

允许偏差/%

实际偏差/%

0.98

0.95

20.22

3.16

1.52

1.40

18.70

8.57

2.26

2.07

17.29

9.18

3.39

3.06

16.00

10.78

4.98

4.53

14.79

9.93

7.16

6.69

13.68

7.03

9.93

9.90

12.65

0.30

14.56

14.63

11.69

0.48

21.11

21.64

10.82

2.45

100

29.14

32.00

10.00

8.94

开度/%	净压差/kPa	水流量/（m³·h^-1）	$K v$	$K v, a v g$
100	97.48	34.5	34.94	34.85
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90	118.66	26.2	34.05	24.42
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80	137.63	18.0	15.34	15.31
117.18	16.6	15.33
98.15	15.1	15.24
70	151.76	12.5	10.15	10.16
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94.24	4.5	4.64
40	138.35	3.9	3.32	3.32
106.67	3.4	3.29
85.89	3.1	3.34
30	132.31	2.6	2.26	2.27
92.63	2.2	2.29
70.92	1.9	2.26
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163.65	2.2	1.72
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139.77	1.7	1.44
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开度/%

净压差/kPa

水流量/（m³·h^-1）

K v

K v, a v g

100

97.48

34.5

34.94

34.85

60.17

27.0

34.81

75.35

30.2

34.79

118.66

26.2

34.05

24.42

95.90

24.2

24.71

80.02

21.9

24.48

137.63

18.0

15.34

15.31

117.18

16.6

15.33

98.15

15.1

15.24

151.76

12.5

10.15

10.16

126.36

11.4

10.14

106.40

10.5

10.18

156.93

8.5

6.79

6.84

120.36

7.5

6.84

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6.7

6.89

142.48

5.6

4.69

4.68

122.00

5.2

4.71

94.24

4.5

4.64

138.35

3.9

3.32

106.67

3.4

3.29

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3.1

3.34

132.31

2.6

2.26

2.27

92.63

2.2

2.29

70.92

1.9

2.26

101.35

1.7

1.69

1.71

133.55

2.0

1.73

163.65

2.2

1.72

166.07

1.8

1.40

1.41

139.77

1.7

1.44

113.58

1.5

1.41

开度/%	$K v$	$K v'$	允许偏差/%	实际偏差/%
10	1.41	0.95	20.22	48.42
20	1.71	1.40	18.70	22.14
30	2.27	2.07	17.29	9.66
40	3.32	3.06	16.00	8.50
50	4.68	4.53	14.79	3.31
60	6.84	6.69	13.68	2.24
70	10.16	9.90	12.65	2.63
80	15.31	14.63	11.69	4.65
90	24.42	21.64	10.82	12.85
100	34.85	32.00	10.00	8.91

开度/%

K v

K v'

允许偏差/%

实际偏差/%

1.41

0.95

20.22

48.42

1.71

1.40

18.70

22.14

2.27

2.07

17.29

9.66

3.32

3.06

16.00

8.50

4.68

4.53

14.79

3.31

6.84

6.69

13.68

2.24

10.16

9.90

12.65

2.63

15.31

14.63

11.69

4.65

24.42

21.64

10.82

12.85

100

34.85

32.00

10.00

8.91