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調(diào)節(jié)閥作為流量控制系統(tǒng)中的重要元件，通過改變其自身阻力特性調(diào)節(jié)系統(tǒng)的介質(zhì)流量，其調(diào)節(jié)質(zhì)量影響到整個(gè)系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。依照系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需要設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥，關(guān)鍵是設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及其閥芯的流通面積分布。
目前已有的關(guān)于調(diào)節(jié)閥流量特性的研究主要集中在以下幾個(gè)方面，一是流量調(diào)節(jié)理論的研究，包括數(shù)學(xué)模型的建立和完善、評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的討論等；二是針對具體閥型，利用試驗(yàn)或工程經(jīng)驗(yàn)，分析流量特性和改進(jìn)方法；三是針對具體閥型，利用CFD技術(shù)分析流量特性。對于流量特性與流通面積分布兩者之間聯(lián)系的討論，闡述了借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和流體阻力系數(shù)－流通面積曲線圖，或利用總流量系數(shù)等參數(shù)，計(jì)算特定形式調(diào)節(jié)閥的流通面積分布的方法；也針對具體調(diào)節(jié)閥，提出了通過調(diào)整面積－行程分布改善流量特性的方案，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。然而這些研究都是針對具體形式的調(diào)節(jié)閥，且依賴經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其意義在于具體工程應(yīng)用，并沒有在理論層面分析流量特性與流通面積分布之間的聯(lián)系。而網(wǎng)孔型套筒閥的流量特性，也沒有相關(guān)文獻(xiàn)對其進(jìn)行分析。
本文設(shè)計(jì)了兩種不同結(jié)構(gòu)的簡化模型，對其進(jìn)行數(shù)值模擬研究，旨在分析其流量特性與流通面積分布關(guān)系之間的聯(lián)系，從中尋找規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對一種網(wǎng)孔型套筒閥進(jìn)行了優(yōu)化，計(jì)算了優(yōu)化前后兩種調(diào)節(jié)閥的流量特性，并進(jìn)行了比較分析。
1.調(diào)節(jié)閥的流量特性
調(diào)節(jié)閥的流量特性是指通過調(diào)節(jié)閥的流體的相對流量與相對開度之間的關(guān)系，包括理想流量特性和工作流量特性。
1.1 理想流量特性
流量控制系統(tǒng)由調(diào)節(jié)閥和其他系統(tǒng)元件共同構(gòu)成，系統(tǒng)流量取決于系統(tǒng)的總阻力。因此，在不同的系統(tǒng)中，即使是相同的調(diào)節(jié)閥、相同的開度，流量也并不相同。而調(diào)節(jié)閥的理想流量特性能夠反映調(diào)節(jié)閥自身的調(diào)節(jié)特性：即調(diào)節(jié)閥前后壓差恒定的情況下，相對流量與相對開度之間的關(guān)系為調(diào)節(jié)閥理想流量特性（也稱調(diào)節(jié)閥的固有特性），其關(guān)系曲線稱為理想流量特性曲線，用數(shù)學(xué)表達(dá)式（1）表示。
y6789157491 （1）
式中：q/Q為相對流量；l/L為相對開度。
在常見的調(diào)節(jié)閥中，有四種典型的流量特性曲線，即直線型、對數(shù)型（也稱等百分比型）、快開型、拋物線型，分別對應(yīng)圖1中的曲線1、2、3、4。直線型流量特性的調(diào)節(jié)閥，流量隨行程線性變化，在小開度時(shí)流量變化明顯（流量變化量與流量的比值大），調(diào)節(jié)靈敏度高，而在大開度時(shí)，流量變化相對緩慢（流量變化量與流量的比值小），調(diào)節(jié)靈敏度低，因而出現(xiàn)大開度下調(diào)節(jié)能力不足等問題，因此在一些情況下不能滿足調(diào)節(jié)要求。對數(shù)型流量特性的調(diào)節(jié)閥，流量變化速度逐漸加快，小開度時(shí)流量變化緩慢，調(diào)節(jié)精度高，大開度時(shí)流量變化相對較快，能保持良好的調(diào)節(jié)能力，這些特點(diǎn)使其在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。拋物線型調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特性介于直線型和對數(shù)型兩者之間，這種特性的調(diào)節(jié)閥在工程應(yīng)用中也比較常見�？扉_型調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特點(diǎn)與對數(shù)型相反，小開度時(shí)流量迅速變化，達(dá)到快速加大流量的目的，而大開度時(shí)流量變化緩慢。除了這四種典型曲線外，還有雙曲線型、平方根型等流量特性曲線，但并不常見。

圖1 四種典型的理想流量特性曲線
1.2 工作流量特性
安裝在調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥，隨著管路阻力等工作條件的變化，調(diào)節(jié)閥的前后壓差不再保持恒定，此時(shí)調(diào)節(jié)閥的相對流量與相對行程之間的關(guān)系稱為調(diào)節(jié)閥的工作流量特性。用數(shù)學(xué)表達(dá)式表示為：
y6789157493（2）
式中符號意義同公式（1）。
理想流量特性曲線和工作流量特性曲線可以通過公式（3）建立聯(lián)系。
y6789157494（3）
式中：ΔPR為壓降比，表示調(diào)節(jié)閥前后壓差占調(diào)節(jié)系統(tǒng)總壓降的比值。
闡述了選取壓降比ΔPR的方法，若壓降比選定，則可依照公式（3），由系統(tǒng)需求的工作流量特性曲線推導(dǎo)出對應(yīng)的理想流量特性曲線，若理想流量特性曲線與流通面積分布的關(guān)系已知，便可推求調(diào)節(jié)閥的流通面積分布。
2.簡化模型的流量特性分析
本文設(shè)計(jì)了兩種調(diào)節(jié)閥的簡化模型，根據(jù)其流通截面的形狀，分別稱之為扇形模型和環(huán)形模型，其流通截面的結(jié)構(gòu)如圖2所示。扇形模型的流通截面為扇形，設(shè)定其在0～360°范圍內(nèi)隨行程均勻變化，流通面積與行程的關(guān)系為線性。環(huán)形模型的流通截面為圓形，設(shè)定其直徑隨行程均勻變化，易知其流通面積與行程的關(guān)系為平方關(guān)系。需要說明的是，此兩種模型并不能直接適用工程應(yīng)用，本文用來計(jì)算，旨在理論研究。

圖2 兩種簡化模型的結(jié)構(gòu)示意圖
2.1 數(shù)值計(jì)算
本文的數(shù)值模擬研究基于PROE軟件建模，GAMBIT軟件劃分網(wǎng)格、FLUENT軟件求解。按圖2中所示的結(jié)構(gòu)建立模型：管路直徑1　200mm，管道長度取閥前2400mm，閥后20000mm（初步計(jì)算取5倍直徑時(shí)出口有回流），分別建立調(diào)節(jié)閥在不同開度下的模型。網(wǎng)格劃分：采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，扇形模型總網(wǎng)格數(shù)量為13萬個(gè)左右，環(huán)形模型為10萬個(gè)左右，扇形模型垂直于軸向的橫截面上網(wǎng)格形狀如圖3，網(wǎng)格沿軸向均勻分布，環(huán)形模型類似。求解計(jì)算：設(shè)置定常流動，選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，設(shè)置流體介質(zhì)為水（ρ＝1kg/L），進(jìn)出口壓差為105　Pa（進(jìn)口總壓105Pa，出口表壓0Pa）。通過計(jì)算不同開度下的流量，擬合出模型的理想流量特性曲線，如圖4。

圖3 扇形模型橫截面網(wǎng)格分布示意圖
2.2 結(jié)果分析
由圖4（a）曲線可以發(fā)現(xiàn)，扇形閥的相對開度在0～0.7范圍內(nèi)時(shí)，流量曲線略微下凹，表明這一行程范圍內(nèi)流量變化速度先慢后快；而相對開度在0.7～1區(qū)間內(nèi)時(shí)，幾乎與直線型重合，說明大開度下扇形模型具有直線型流量特性，流量線性變化。結(jié)果表明，扇形模型的流量特性曲線介于直線型和對數(shù)型之間，且十分接近直線型曲線。
由圖4（b）曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著開度的增加，曲線斜率逐漸增大。大致可分為3個(gè)區(qū)域：相對開度在0～0.4的區(qū)域附近時(shí)，曲線斜率小于1，流量變化速度緩慢；相對開度在0.4～0.5的區(qū)域附近時(shí)，曲線斜率接近1，流量均勻變化；相對開度在0.5～1時(shí)，曲線斜率大于1且迅速增大，流量變化速度加快。結(jié)果表明，環(huán)形模型的理想流量特性曲線接近對數(shù)型。


圖4 扇形模型和環(huán)形模型流量特性曲線
將兩種簡化模型的流量特性曲線進(jìn)行對比，容易發(fā)現(xiàn)兩種不同結(jié)構(gòu)的模型對應(yīng)不同的流量特性：扇形模型的流通面積與行程之間是線性關(guān)系，其理想流量特性曲線接近直線型；而環(huán)形模型的流通面積與行程之間是平方關(guān)系，其理想流量特性曲線接近對數(shù)型。結(jié)果驗(yàn)證了調(diào)節(jié)閥的流通面積分布是其流量特性的重要影響因素，而且其影響呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。
3.網(wǎng)孔式套筒調(diào)節(jié)閥流量特性分析
流通面積分布影響調(diào)節(jié)閥流量特性。根據(jù)這一思想，本文對一種網(wǎng)孔型套筒閥進(jìn)行了優(yōu)化，仿真計(jì)算了優(yōu)化前后兩種閥的流量特性，對比分析了兩者的調(diào)節(jié)特性。
本文選擇的網(wǎng)孔型套筒閥結(jié)構(gòu)如圖5所示，通過調(diào)節(jié)伸縮筒的位置來控制流通面積，從而實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)，伸縮筒從右向左運(yùn)動，依次實(shí)現(xiàn)1～7列網(wǎng)孔過流。優(yōu)化前的網(wǎng)孔，沿環(huán)向均勻分布直徑為30mm的圓形孔，每列90個(gè)，如圖6（a）。而優(yōu)化方案則通過改變網(wǎng)孔的分布來改變其流量特性，網(wǎng)孔數(shù)量從1～7列依次遞增，分別為30、40、50、60、70、80、90個(gè)，如圖6（b）。


圖6 優(yōu)化前后伸縮筒的網(wǎng)孔分布示意圖
3.1 數(shù)值計(jì)算
管路直徑為1200mm，管路長度取閥前6000mm，閥后12000mm；由于模型結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，故采用四面體網(wǎng)格與六面體網(wǎng)格相結(jié)合的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于網(wǎng)孔附近的區(qū)域，因其網(wǎng)孔小、前后壓差變化大，故而采取加密處理，總網(wǎng)格數(shù)量在35～50萬之間，因加密區(qū)域范圍不同而異，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7。分別計(jì)算并擬合出兩種閥的流量特性曲線，結(jié)果如圖8。

圖7 網(wǎng)孔型套筒閥模型的網(wǎng)格劃分示意圖

圖8 優(yōu)化前后的流量特性曲線比較圖
3.2 結(jié)果分析
優(yōu)化前網(wǎng)孔型套筒閥的網(wǎng)孔均勻排列，流通面積隨行程線性分布，這一特點(diǎn)與第二節(jié)中的扇形模型一致。計(jì)算結(jié)果表明該型調(diào)節(jié)閥的流量特性曲線為直線型（如圖8中曲線1），與扇形模型的近似。此閥具有直線型的調(diào)節(jié)特點(diǎn)，能滿足流量線性變化的系統(tǒng)需求。
優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥的網(wǎng)孔數(shù)量隨開度的增加逐漸遞增，其流通面積與行程的關(guān)系為非線性，且介于線性關(guān)系和平方關(guān)系之間。計(jì)算結(jié)果表明其流量特性曲線為拋物線型（如圖8中曲線2），介于直線型和對數(shù)型之間，對比第二節(jié)中兩種簡化模型，可以發(fā)現(xiàn)流量特性與流通面積分布的關(guān)系是相對應(yīng)的。計(jì)算結(jié)果同時(shí)表明，此閥具有拋物線型流量特性的調(diào)節(jié)特點(diǎn)，較之優(yōu)化前，此閥在小開度時(shí)流量變化緩慢，大開度時(shí)調(diào)節(jié)靈敏度較高，能滿足流量調(diào)節(jié)要求為拋物線型的系統(tǒng)需求。通過優(yōu)化，該型網(wǎng)孔型套筒閥實(shí)現(xiàn)了更多的流量調(diào)節(jié)特性。
4.結(jié)語
（1）不同流通面積－行程分布關(guān)系的調(diào)節(jié)閥，其流量特性具有各自的特點(diǎn)：扇形模型的流通面積與行程是線性關(guān)系，其理想流量特性曲線趨近于直線型；環(huán)形模型的流通面積與行程是平方關(guān)系，其理想流量特性曲線趨近于對數(shù)型（等百分比型）。可以預(yù)測，其他流通面積分布的調(diào)節(jié)閥也有與其相對應(yīng)的流量特性。針對這些關(guān)系和規(guī)律進(jìn)行研究，可以為調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)提供參考。
（2）優(yōu)化前的網(wǎng)孔型套筒閥，網(wǎng)孔均勻分布，流通面積與行程是線性關(guān)系，結(jié)果表明其流量調(diào)節(jié)特性為直線型。優(yōu)化后的調(diào)節(jié)閥，網(wǎng)孔數(shù)量逐漸遞增，流通面積與行程是非線性關(guān)系，且介于線性關(guān)系與平方關(guān)系之間，結(jié)果表明其流量特性曲線為拋物線形，介于直線型與對數(shù)型之間。與扇形和環(huán)形兩種簡化模型對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化前后兩種網(wǎng)孔型套筒閥的流量特性與面積分布的關(guān)系符合結(jié)論（1）所述的規(guī)律，證明了根據(jù)結(jié)論（1）對調(diào)節(jié)閥的流量特性進(jìn)行優(yōu)化的合理性。
（3）通過改變伸縮筒上的網(wǎng)孔分布，優(yōu)化了網(wǎng)孔型套筒閥的流量特性。可以預(yù)測，通過設(shè)計(jì)其他不同的網(wǎng)孔分布或網(wǎng)孔形狀，可以實(shí)現(xiàn)其他多種形式的流量特性，從而滿足不同的調(diào)節(jié)要求。
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資訊來源：無錫科萊恩流體控制設(shè)備有限公司