1 引言
生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化和流體輸配過(guò)程中調(diào)節(jié)閥有著廣泛的應(yīng)用背景，調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)節(jié)特性直接關(guān)系著整個(gè)自動(dòng)控制的品質(zhì)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的流量特性一般可以分為直線、等百分比、快開(kāi)和拋物線等，其中普通角行程蝶閥因有KVS明顯偏大、調(diào)節(jié)特性差等缺點(diǎn)，只能應(yīng)用于簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)控制場(chǎng)合。
本文作者自行研究開(kāi)發(fā)一種新型的調(diào)節(jié)蝶閥模型，即通過(guò)在閥板上安裝配流盤實(shí)現(xiàn)線性流量特性的調(diào)節(jié)蝶閥。這種閥門的內(nèi)流結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，對(duì)執(zhí)行器配置技術(shù)要求較低，且同一口徑規(guī)格的閥門可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的標(biāo)稱流量系數(shù)，應(yīng)用十分靈活。
本文通過(guò)利用CFD技術(shù)對(duì)新型調(diào)節(jié)蝶閥的多個(gè)閥門設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了三維湍流模擬，在數(shù)值結(jié)果對(duì)比和人工優(yōu)化后，對(duì)符合要求的產(chǎn)品模型再一次進(jìn)行配流孔尺寸的修正，滿足了理想的線性流量特性。
論文研究者還搭建專門了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用裝配高精度傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)調(diào)節(jié)閥的流量特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，利用CFD技術(shù)對(duì)閥門模型的創(chuàng)新研發(fā)結(jié)果是可行的，我們所開(kāi)發(fā)的安裝配流板的調(diào)節(jié)蝶閥具有線性流量調(diào)節(jié)特性。
2 基本原理和三維建模
調(diào)節(jié)閥可以簡(jiǎn)化成一個(gè)阻力可變的節(jié)流元件，主要用于調(diào)節(jié)控制節(jié)點(diǎn)的流動(dòng)特征（如流量、壓力等）。配置電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥門簡(jiǎn)稱電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，利用電動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)改變閥門的通流面積，從而改變了自身的流量系數(shù)，簡(jiǎn)化的工程計(jì)算公式：
式中：GV是一種閥門開(kāi)度和流體介質(zhì)相關(guān)的流量系數(shù)；A是閥門的當(dāng)量通流面積；Δp=p1-p2是閥門前后截面平均壓力的差值；Q為通過(guò)閥門的體積流量；ρ為流體介質(zhì)密度。
對(duì)于確定的流體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，閥門在一特定開(kāi)度范圍和確定Re數(shù)范圍內(nèi)，其CV值將近似保持不變。假設(shè)閥門壓差保持不變，則閥門開(kāi)度與體積流量成線性關(guān)系的閥門稱為閥門流量線特性。
我們所自行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的閥門計(jì)算模型如圖1所示，整體由蝶閥板、轉(zhuǎn)到軸、閥體和2塊配流板組成。U型配流板的作用不僅僅是為了調(diào)節(jié)閥門全開(kāi)狀態(tài)下的流量系數(shù)，同時(shí)在閥門旋轉(zhuǎn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)閥門的當(dāng)量通流面積，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥門的線性流量特性要求。
圖1 調(diào)節(jié)蝶閥的產(chǎn)品模型
具體數(shù)值模擬過(guò)程中我們假設(shè)來(lái)流速度恒定不變，也就是閥門所在管道的入口處的速度恒定。在計(jì)算模型的選擇上，我們采用的是工程中應(yīng)用比較廣泛的RNGK-ε三維湍流模型和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的SIMPLE方法。網(wǎng)格大致結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 Y=0的軸向剖面局部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)
數(shù)值模擬的收斂節(jié)條件為：Continuity、X-velocity、Yvelocity、Z-velocity、K、Epsilon值均小于0.001。對(duì)閥門在不同的開(kāi)度X、不同來(lái)流速度進(jìn)行了數(shù)值模擬。
在數(shù)值計(jì)算得出結(jié)果后首先是定性分析。在計(jì)算結(jié)果的三維模型中取一軸向平面，利用工具軟件顯示其Z-velocity云圖，90°全開(kāi)的數(shù)值結(jié)果如圖3顯示，閥門上下速度呈對(duì)稱狀態(tài)，閥門內(nèi)流速度分布合理。通過(guò)對(duì)閥門前后某管道截?cái)嗝鎵毫?chǎng)進(jìn)行三維數(shù)值離散積分，得出遠(yuǎn)離閥門一定距離的前后管道截?cái)嗝娴钠骄鶋毫χ担M(jìn)而得出閥門壓降，截面壓力如圖
圖3 閥門在全開(kāi)情況下的軸向速度矢量圖
圖4 閥前、閥后的截面壓力和速度
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
為了驗(yàn)證三維湍流數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果，我們專門加工制造了與三維計(jì)算模型相同尺寸和相同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的閥門模型，同時(shí)搭建了裝配有高精度流量傳感器和壓差傳感器的管路實(shí)驗(yàn)臺(tái)（如圖5所示）。利用高分辯率電動(dòng)執(zhí)行裝置轉(zhuǎn)動(dòng)閥門，在不同的開(kāi)度下測(cè)量閥門的壓降以及流量Q。其中流量系數(shù)、相對(duì)流量系數(shù)的定義參考文獻(xiàn)[1]、[2]（見(jiàn)表1），試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖6所示。
圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖
圖6 模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)擬和曲線對(duì)比
4 結(jié)論
本文通過(guò)對(duì)自行設(shè)計(jì)的新型線性特性的調(diào)節(jié)蝶閥模型進(jìn)行了三維湍流流動(dòng)的數(shù)值分析，同時(shí)利用數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行人工優(yōu)化后，選擇了一個(gè)產(chǎn)品模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：
（1）利用閥門配流板當(dāng)量通流面積的初步設(shè)計(jì)思路，結(jié)合CFD優(yōu)化技術(shù)所計(jì)算獲得的調(diào)節(jié)蝶閥具有線性流量特性，方法可行；
（2）當(dāng)量數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比結(jié)果表明，CFD數(shù)值模擬方法可以預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)閥模型的流量特性，為閥類新產(chǎn)品的研發(fā)節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)的成本。因此，三維CFD數(shù)值模擬技術(shù)完全可以用于調(diào)節(jié)閥的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)；
（3）利用本文的方法得到的調(diào)節(jié)型電動(dòng)蝶閥具有十分理想的線性調(diào)節(jié)特性，可以推廣應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1] 陸培文，孫曉霞，楊炯良.閥門選用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.
[2] 施俊良.調(diào)節(jié)閥的選擇[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1986.
[3] 王成，郝巖峰，施瞬天.動(dòng)態(tài)流量平衡閥在暖通工程中的應(yīng)用[J].制冷空調(diào)電力機(jī)械，2003（2）.
[4] 陳慶光，徐忠，張永建.RNGK-ε模式在工程湍流數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用[J].力學(xué)季刊，2003（1）.
[5] 沈新榮，陸冰，李江莉，李增珍.一種自動(dòng)流量平衡閥的數(shù)值分析及試驗(yàn)研究[J].液壓與氣動(dòng)，2006（1）：56-57.
[6] 沈新榮，李江莉，陸冰，李增珍.一種新型電動(dòng)蝶閥調(diào)節(jié)特性的數(shù)值計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究[J].液壓與氣動(dòng)，2006（5）：47-48.
[7] J.L.萊昂斯.閥門技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.
[8] 吳望一.流體力學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，1982.
[9] Patankar，cal Heat Transfer and Fluid Flow [M].NewYork：Hemisphere，1980.
（轉(zhuǎn)載）
