調(diào)節(jié)閥流量特性分析及網(wǎng)孔型套筒閥優(yōu)化計算

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)量影響到整個系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性。依照系統(tǒng)的調(diào)節(jié)需要設計調(diào)節(jié)閥，關(guān)鍵是設計調(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方面，一是流量調(diào)節(jié)理論的研究，包括數(shù)學模型的建立和完善、評價標準的討論等。二是針對具體閥型，利用試驗或工程經(jīng)驗，分析流量特性和改進方法；三是針對具體閥型，利用CED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，文獻中闡述了借助實驗數(shù)據(jù)和流體阻力系數(shù)一流通面積間線圖，或利用總流量系數(shù)等參數(shù)，計算特定形式調(diào)節(jié)閥的流通面積分布的方法；文獻[ 8」中也針對具體調(diào)節(jié)閥，提出了通過調(diào)整面積一行程分布改善流量特性的方案，并與實驗結(jié)果進行了比較。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)驗數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)，其意義在于具體工程應用，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)文獻對其進行分析。

本文設計了兩種不同結(jié)構(gòu)的簡化模型，對其進行數(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)孔型套筒閥進行了優(yōu)化，計算了優(yōu)化前后兩種調(diào)節(jié)閥的流量特性，并進行了比較分析。

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。

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)學表達式（l)表示。

式中：q/Q為相對流量；//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，流量變化相對緩慢（流量變化量與流量的比值?。?，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，小開度時流量變化緩慢，調(diào)節(jié)精度高，大開度時流量變化相對較快，能保持良好的調(diào)節(jié)能力，這些特點使其在工程中得到了廣泛的應用。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)型兩者之間田，這種特性的調(diào)節(jié)閥在工程應用中也比較常見?？扉_型調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)特點與對數(shù)型相反，小開度時流量迅速變化，達到快速加大流量的目的，而大開度時流量變化緩慢。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。

事實上，具體到實際的調(diào)節(jié)閥時，其理想流量特性曲線很難與四種典型的理想流量特性曲線完全重合，往往是近似某種形式，如普通蝶閥的理想流量特性通常介于直線型和對數(shù)型曲線之間。選擇和設計調(diào)節(jié)閥時，須根據(jù)具體要求選擇適當?shù)牧髁刻匦郧€作為設計參考。

對于某些結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)閥，根據(jù)經(jīng)驗公式或?qū)嶒瀰?shù)，可以得到其理想流量特性曲線與流通面積分布之間的關(guān)系，據(jù)此可以由選定的理想流量特性曲線計算調(diào)節(jié)閥的流通面積分布。針對幾種具體結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)閥，文獻[ 0中介紹了計算流通面積分布的方法，但都需要實驗或經(jīng)驗參數(shù)作為條件，并不適用于其他結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥。

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)學表達式表示為：

Q L 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「2」。

式中PR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。

文獻[ 7 ]中闡述了選取壓降比APR的方法，若壓降比選定，則可依照公式（3）岫系統(tǒng)需求的工作流量特性曲線推導出對應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。

簡化模型的流量特性分析

本文設計了兩種調(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用，本文用來計算，旨在理論研究。

數(shù)值計算

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] 200 mm，管道長度取閥前2，100 mm,閥后 20 000 mm（初步計算取5倍直徑時出口有回流），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13萬個左右，環(huán)形模型為10萬個左右，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。求解計算：設置定常流動，選用標準湍流模型，設置流體介質(zhì)為水一1 kg/L),進出口壓差為105 Pa（進口總壓105 Pa，出口表壓0 (a)o通過計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。