0 引言
球閥由閥體、閥桿與球體等組成。球體在扭矩作用下旋轉,通過改變通流面積實現閥門啟閉與流量調節等功能。由于流阻小、密封性好、結構緊湊與壽命長等優點,球閥已被大量運用(yong)于(yu)(yu)(yu)(yu)管道(dao)系統中。V型(xing)球閥因球體有(you)(you)V型(xing)切口(kou),具有(you)(you)切斷纖維(wei)等(deng)(deng)的作用(yong),可防止纖維(wei)堵(du)塞流(liu)(liu)道(dao),適于(yu)(yu)(yu)(yu)輸(shu)送(song)黏性(xing)(xing)介(jie)質、含(han)顆粒物(wu)質流(liu)(liu)體,廣泛用(yong)于(yu)(yu)(yu)(yu)造紙等(deng)(deng)行業(ye)。同時,由于(yu)(yu)(yu)(yu)具有(you)(you)等(deng)(deng)百分比調(diao)節特性(xing)(xing),球閥也(ye)廣泛用(yong)于(yu)(yu)(yu)(yu)流(liu)(liu)量調(diao)節。
調節閥設計者必須了解其流量特性、位移特性和靜態特性。施俊良推導了調節閥的(de)(de)直線(xian)流(liu)(liu)(liu)量(liang)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)、等百分比(bi)流(liu)(liu)(liu)量(liang)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)、快開(kai)流(liu)(liu)(liu)量(liang)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)和拋物線(xian)流(liu)(liu)(liu)量(liang)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)理論公式(shi);付衛(wei)東(dong)(dong)等根(gen)據(ju)調節閥(fa)(fa)的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)量(liang)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing),推導出了(le)(le)(le)調節閥(fa)(fa)流(liu)(liu)(liu)量(liang)公式(shi);孫豐(feng)位建(jian)立了(le)(le)(le)V型球閥(fa)(fa)通(tong)流(liu)(liu)(liu)面積計算(suan)(suan)公式(shi),通(tong)過編程計算(suan)(suan)討(tao)論了(le)(le)(le)其(qi)等百分比(bi)流(liu)(liu)(liu)量(liang)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)的(de)(de)結構優化問題;姚曉春利(li)用數值(zhi)仿真(zhen)分析了(le)(le)(le)V型球閥(fa)(fa)內(nei)的(de)(de)流(liu)(liu)(liu)場,研究了(le)(le)(le)其(qi)流(liu)(liu)(liu)量(liang)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)并進行了(le)(le)(le)結構優化;明錫(xi)東(dong)(dong)推導了(le)(le)(le)氣動調節閥(fa)(fa)的(de)(de)位移(yi)特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)與(yu)靜態特(te)(te)(te)性(xing)(xing)(xing)(xing)。
筆者運用CFD相關理論與軟件,研究了自行設計的數字V型球閥的理論流量特性、位移特性和靜態特性,運用Fluent仿真分析數字V型球閥內流道的三維流場,得到了V型球閥在恒壓差和不同開度下體積流量與相對流量等數據,研究其相對體積流量與相對開度的關系和步進電機數字脈沖信號與閥門開度的(de)(de)(de)關系,最(zui)終繪出數字V型(xing)(xing)球閥(fa)(fa)的(de)(de)(de)流量特(te)(te)性曲(qu)線、位移曲(qu)線與靜態特(te)(te)性曲(qu)線,為(wei)(wei)數字V型(xing)(xing)球閥(fa)(fa)的(de)(de)(de)研(yan)發提供了(le)借鑒,也為(wei)(wei)其(qi)他類(lei)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)數字調(diao)節閥(fa)(fa)的(de)(de)(de)研(yan)究提供了(le)借鑒。
1 數值仿真計算
1.1 幾何模型
根(gen)據V型(xing)(xing)球(qiu)閥(fa)設(she)計(ji)(ji)參數DN=50mm與PN=1.5MPa,參考(kao)閥(fa)門(men)設(she)計(ji)(ji)手冊(ce),完(wan)成(cheng)設(she)計(ji)(ji)計(ji)(ji)算,繪制二(er)維圖(tu)紙(zhi)。為了使用CFD數值仿真,需延伸閥(fa)門(men)的上(shang)下管(guan)道,采用Solidworks,建立V型(xing)(xing)球(qiu)閥(fa)三維實體模(mo)型(xing)(xing)(見圖(tu)1),通(tong)過布(bu)爾運算,提取V型(xing)(xing)球(qiu)閥(fa)在相對開度為100%時流道的三維幾何模(mo)型(xing)(xing)(見圖(tu)2)。
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圖(tu)1 V型(xing)球閥的幾何模型(xing)
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圖2 相對開度100%流道幾何模型
1.2 數學模型
k-ε兩方程湍流模型因運算穩定、運算量小,能真實反映主要物理過程,已廣泛應用于科學研究和工程實踐中。k-ε模型可分為標準k-epsilon模型、Realisablek-epsilon模型、RNGk-epsilon模型與Near-walltreatment模型等。本文采用時均化的Reynolds方程與標準k-ε兩方程模型。質量守恒方程
;動量守恒方程
湍流動能k輸運方程
;湍流耗散率ε輸運方程![](//img.duoso.com.cn/HtmlEditor/2014/9/20140911095011231.png)
;湍流動能Gk和耗散率生成項Ge為
其中渦黏(nian)性系數μt=ρCμk2/ε。模型中系數取值見表1。
表1 k-ε模型中(zhong)系數
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對于流場出口,只考慮流道內部的流動,認為流道出口處的流動是充分發展的湍流,假定此時出口邊界下游的流場不影響邊界上游的流場,認為流場出口的邊界條件為垂直于該斷面方向上的壓力梯度均為0為
。
1.3 計算域及邊界條件
1)選取計算區域。取V型球閥及閥門前5×D處管道和閥門后10×D處管道內的流道為計算區域,保證進出口邊界處湍流充分發展,計算穩定流動。2)網格劃分。由于閥體內流道幾何形狀與流場分布復雜,需要高密度網格才能保證計算的準確性,而管道內的流道幾何形狀簡單,低密度網格就可以保證計算精度。本文分塊劃分計算區域網格,分為閥前管道部分、閥體部分和閥后管道部分。閥前、閥后管道部分均采用低密度網格,閥體部分采用高密度網格,兼顧了計算精度和計算經濟性,同時,可避免在網格劃分過程中使用T-Grid體網格出現負體積,使網格生成失敗。圖3為相對開度為100%時的網格模型。3)邊界條件。調節閥流量計算公式為Q=C(Δp/ρ)-2,調節閥額定流通能力C100指閥門開度達最大、閥門前后兩端壓差為105Pa及介質密度為1g/cm3時,流經閥門的體積流量(m3/h)。分析不可壓縮流體的理想流量特性,可把閥門前后壓差定為105Pa。筆者根(gen)據脫硫除塵工藝要求,取V型球閥的(de)(de)PN=1.5MPa,則(ze)閥前后端壓強(qiang)分別(bie)為1.5MPa和1.4MPa。介質(zhi)為常(chang)溫狀態下的(de)(de)水,壁面(mian)邊界條(tiao)件是(shi)絕(jue)熱的(de)(de),與外界無(wu)能量交(jiao)換。
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圖3 相對開度(du)為100%時(shi)的網格模(mo)型
1.4 數值模擬及結果
分(fen)別將相(xiang)對(dui)開(kai)度(du)(du)為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%與100%V型(xing)球(qiu)閥的網格(ge)模型(xing)導(dao)入計算流(liu)(liu)體動力(li)學仿(fang)真(zhen)軟(ruan)件Fluent中,仿(fang)真(zhen)計算相(xiang)關(guan)數據(ju)。表2為各開(kai)度(du)(du)下體積流(liu)(liu)量(liang)等(deng)相(xiang)關(guan)數據(ju),圖4、圖5分(fen)別為相(xiang)對(dui)開(kai)度(du)(du)100%時的壓力(li)與速度(du)(du)云(yun)圖。
表2 閥門開度與體積流量(liang)
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圖(tu)4 相對開度為100%時的壓力云圖(tu)
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圖5 相對開度(du)為100%時的(de)速度(du)云圖
2 數字V型球閥理想流量特性、位移特性與靜態特性研究
按照脈(mo)沖(chong)信號(hao)的(de)(de)方向和大(da)小,通過改(gai)變(bian)(bian)閥(fa)(fa)芯角(jiao)(jiao)位移,改(gai)變(bian)(bian)V型(xing)球閥(fa)(fa)的(de)(de)阻力(li)系(xi)數(shu),達到調(diao)節流(liu)量的(de)(de)目的(de)(de)。數(shu)字V型(xing)球閥(fa)(fa)由(you)執(zhi)行機(ji)(ji)構(gou)和V型(xing)球閥(fa)(fa)兩部分(fen)組成。執(zhi)行機(ji)(ji)構(gou)是(shi)數(shu)字V型(xing)球閥(fa)(fa)的(de)(de)驅動裝(zhuang)置,由(you)步進電(dian)機(ji)(ji)與減速(su)器組成,它按脈(mo)沖(chong)信號(hao)的(de)(de)數(shu)目產(chan)生相應的(de)(de)轉角(jiao)(jiao),使閥(fa)(fa)桿產(chan)生相應的(de)(de)角(jiao)(jiao)位移,從而帶(dai)動V型(xing)球閥(fa)(fa)閥(fa)(fa)芯動作;球閥(fa)(fa)是(shi)調(diao)節部分(fen),它直接(jie)與介質(zhi)接(jie)觸,由(you)步進電(dian)機(ji)(ji)主軸的(de)(de)角(jiao)(jiao)位移改(gai)變(bian)(bian)調(diao)節閥(fa)(fa)的(de)(de)節流(liu)面(mian)積而調(diao)節流(liu)量。
在實(shi)際使用中,調(diao)節閥通常需要得到(dao)流量的(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)信(xin)(xin)號(hao)(hao),傳統的(de)(de)分(fen)析方法將控(kong)制(zhi)(zhi)信(xin)(xin)號(hao)(hao)與流量的(de)(de)關(guan)(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)分(fen)解(jie)成控(kong)制(zhi)(zhi)信(xin)(xin)號(hao)(hao)與行程(cheng)(cheng)的(de)(de)關(guan)(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)和(he)行程(cheng)(cheng)與流量的(de)(de)關(guan)(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)兩(liang)部分(fen)。控(kong)制(zhi)(zhi)信(xin)(xin)號(hao)(hao)與行程(cheng)(cheng)的(de)(de)關(guan)(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)稱(cheng)為位(wei)移特性,行程(cheng)(cheng)與流量的(de)(de)關(guan)(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)稱(cheng)為流量特性;調(diao)節閥控(kong)制(zhi)(zhi)信(xin)(xin)號(hao)(hao)與靜(jing)態時的(de)(de)流量關(guan)(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)稱(cheng)為靜(jing)態特性,與動態時的(de)(de)流量關(guan)(guan)(guan)系(xi)(xi)(xi)稱(cheng)為動態特性。下面(mian)研究(jiu)數字V型(xing)球閥的(de)(de)理想(xiang)流量特性、位(wei)移特性與靜(jing)態特性。
2.1 理想流量特性
流量特性是指流體流過調節閥流道的相對流量和閥芯相對開度之間的關系,即Q/Qmax=f(l/lmax)。相對流量是指閥門在某一開度下的流量Q與全開度下流量Qmax之比;l/lmax是相對開度,即閥門在某一開度下的行程l與全開度下行程lmax之比.理想流量特性是指調節閥在恒定壓差下的流量特性.理想流量特性分為快開、拋物線、等百分比與直線流量特性.等百分比理想流量特性指單位相對位移變化Δl/ΔL引起的相對流量變化ΔQ/ΔQmax與其相對流量Q/Qmax成正比,可表示為d(QQmax)/d(lL)=KQ/Qmax,兩端積分
后,得到ln(Q/Qmax)=Kl/L+1/C。當Q=Qmin時,l=0;當Q=Qmax時,l=L.可得1/C
(R為等百分比調節閥的可調比)。最終可得Q/Qmax=
。
圖(tu)(tu)6是R=30時(shi)等百分比調節閥(fa)(fa)的(de)理想流量特(te)(te)(te)性(xing)(xing)曲(qu)(qu)線(xian),圖(tu)(tu)7是根據表2繪制(zhi)的(de)V型(xing)球(qiu)閥(fa)(fa)理想流量特(te)(te)(te)性(xing)(xing)曲(qu)(qu)線(xian)。對比圖(tu)(tu)6與(yu)圖(tu)(tu)7兩條曲(qu)(qu)線(xian)可以看出(chu),設(she)計的(de)V型(xing)球(qiu)閥(fa)(fa)理想特(te)(te)(te)性(xing)(xing)曲(qu)(qu)線(xian)走勢與(yu)等百分比理想流量特(te)(te)(te)性(xing)(xing)曲(qu)(qu)線(xian)趨于一致,具有較好的(de)等百分比調節特(te)(te)(te)性(xing)(xing)。
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圖6 參考理想(xiang)流量特性曲線(xian)
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圖(tu)7 理想流量特性曲線(xian)
2.2 位移特性數字
V型球閥脈沖信號與行程的關系稱為位移特性。筆者選用的步進電機步距角為1.8°,即控制器每發出一個脈沖,步進電機的主軸轉動1.8°。設計的減速器減速比i=32,控制信號的脈沖數p與閥桿行程轉角l的關系為l=P´1.8/32=0.05625P(°),0≤P≤1600。圖8為(wei)數(shu)(shu)字V型(xing)球閥(fa)的位移特性曲線,由圖8可見,數(shu)(shu)字V型(xing)球閥(fa)脈沖信號數(shu)(shu)目(mu)與(yu)行程成線性關系(xi)。
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圖8 位移特性曲線
2.3 靜態特性
將位移特性公式代入流量特性公式中,消去行程l,便建立了控制信號P與流量Q間的函數關系。將L=90(°)、l=P´1.8/32=0.05625P(°)代入Q/Qmax=R(l/L-l),得Q/Qmax=R(6.25´10-4P-1),0≤P≤1600。
可(ke)以根(gen)據脈沖數與流量的關系(xi),通過(guo)控(kong)制向步(bu)進電機發射(she)脈沖的數目,達到實時控(kong)制V型球閥(fa)流量的目的。圖(tu)9為數字V型球閥(fa)的靜態(tai)特性曲線。
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圖9 數字V型球閥靜態(tai)特性曲線
3 結束語
本研(yan)究通(tong)過分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)數(shu)(shu)字(zi)(zi)V型(xing)球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)數(shu)(shu)值模(mo)擬及數(shu)(shu)據(ju)處理(li)結(jie)果得到(dao)了(le)(le)(le)(le)(le)以下結(jie)論:1)建立數(shu)(shu)字(zi)(zi)V型(xing)球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)體(ti)內流(liu)場(chang)幾(ji)何(he)模(mo)型(xing)、劃分(fen)(fen)(fen)網格(ge)模(mo)型(xing)與(yu)(yu)(yu)設(she)置合理(li)邊界條(tiao)件,分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)了(le)(le)(le)(le)(le)數(shu)(shu)字(zi)(zi)V型(xing)球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)CFD流(liu)場(chang),得到(dao)了(le)(le)(le)(le)(le)壓力(li)云圖、速度(du)云圖和體(ti)積流(liu)量等數(shu)(shu)據(ju);處理(li)了(le)(le)(le)(le)(le)流(liu)場(chang)分(fen)(fen)(fen)析(xi)(xi)數(shu)(shu)據(ju),繪(hui)制了(le)(le)(le)(le)(le)數(shu)(shu)字(zi)(zi)V型(xing)球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)理(li)想(xiang)流(liu)量特(te)性(xing)(xing)曲線,該曲線與(yu)(yu)(yu)等百分(fen)(fen)(fen)比流(liu)量特(te)性(xing)(xing)曲線的(de)走勢具有很好的(de)一致性(xing)(xing),充分(fen)(fen)(fen)說明設(she)計(ji)的(de)數(shu)(shu)字(zi)(zi)V型(xing)球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)具有很好的(de)等百分(fen)(fen)(fen)調節(jie)(jie)(jie)功(gong)能,設(she)計(ji)是(shi)合理(li)的(de)。2)建立了(le)(le)(le)(le)(le)步(bu)進(jin)電機脈(mo)沖數(shu)(shu)P與(yu)(yu)(yu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)桿行程(cheng)轉角l的(de)數(shu)(shu)學關系,繪(hui)制了(le)(le)(le)(le)(le)數(shu)(shu)字(zi)(zi)V型(xing)球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)位(wei)移特(te)性(xing)(xing)曲線,由(you)此可得到(dao)步(bu)進(jin)電機脈(mo)沖數(shu)(shu)P與(yu)(yu)(yu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)桿行程(cheng)轉角l成線性(xing)(xing)比例關系。3)將步(bu)進(jin)電機脈(mo)沖數(shu)(shu)P與(yu)(yu)(yu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)桿行程(cheng)轉角l間的(de)數(shu)(shu)學關系代入流(liu)量特(te)性(xing)(xing)公式(shi)中,建立了(le)(le)(le)(le)(le)步(bu)進(jin)電機脈(mo)沖數(shu)(shu)P與(yu)(yu)(yu)V型(xing)球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)體(ti)積流(liu)量的(de)關系,繪(hui)制了(le)(le)(le)(le)(le)數(shu)(shu)字(zi)(zi)V型(xing)球(qiu)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)靜態特(te)性(xing)(xing)曲線,為(wei)調節(jie)(jie)(jie)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)控制系統的(de)設(she)計(ji)提(ti)供(gong)了(le)(le)(le)(le)(le)數(shu)(shu)據(ju)依(yi)據(ju),也為(wei)其他(ta)類型(xing)的(de)數(shu)(shu)字(zi)(zi)調節(jie)(jie)(jie)閥(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)(fa)的(de)研(yan)發(fa)提(ti)供(gong)了(le)(le)(le)(le)(le)借鑒(jian)。