物料流量調節閥的特性研究

　　對氣力輸送系統中物料流量調節閥的內部流場(chǎng)進(jìn)行仿真計算，研究閥在不同工況下的特性，給出可視化結果，并對調節閥閥芯所受的不平衡力進(jìn)行了研究，為閥的性能優(yōu)化以及氣力輸送系統控制裝置部分的設置提供了依據。

　　在現代化的自動(dòng)控制中，調節閥起著(zhù)十分重要的作用。流動(dòng)的液體、氣體或固體粉料的正確分配和控制，都需要調節閥來(lái)完成。低壓氣力輸送裝置以鼓風(fēng)機為動(dòng)力源，風(fēng)機在供料裝置的前端，料倉中粉料通過(guò)給料裝置連續地向高速氣流定量均勻給料，使粉料以懸浮狀態(tài)進(jìn)行輸送。在氣力輸送裝置中，要通過(guò)調節閥控制物料流量，確定物料的沉降速度和單位時(shí)間內輸送的物料質(zhì)量，來(lái)控制合理的輸送風(fēng)速及混合比，它們是影響整個(gè)輸送系統輸送能力和效率的關(guān)鍵因素。

　　作者對氣力輸送系統中物料流量調節閥的內部流場(chǎng)進(jìn)行了數值模擬，所進(jìn)行的研究工作為閥的設計和性能優(yōu)化以及氣力輸送系統的控制裝置部分的設置提供了依據。

1、調節閥模型及網(wǎng)格劃分

　　圖1為所建立的調速閥模型�？紤]閥內流動(dòng)為面對稱(chēng)結構，建立三維軸對稱(chēng)模型，節約計算資源。

　　根據閥的幾何特征，預先局部細化了閥內復雜流道處和節流口處，網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖2。并在求解迭代過(guò)程中，以壓力梯度和速度梯度為自適應函數，對網(wǎng)格進(jìn)行了自適應細化，有助于提高解的精度。

圖1 調節閥模型

圖2 調節閥網(wǎng)格

2、數值模擬

　　采用CFD軟件對閥內流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計算，同時(shí)給出流場(chǎng)壓力的輪廓圖和速度的矢量圖的可視化結果，便于流道的改進(jìn)。

　　2.1、仿真結果

　　為了研究閥在不同工況下的特性，分別在閥不同開(kāi)度下，以入口速度和出口壓力為邊界條件進(jìn)行了仿真計算。

　　圖3為在同一開(kāi)口度時(shí)調節閥在不同流量輸出時(shí)閥芯的進(jìn)口壓力。

圖3 進(jìn)口壓力隨流量變化曲線(xiàn)

　　從圖3中可以看出： 固定開(kāi)口度時(shí)，隨著(zhù)流量的增加; 進(jìn)口壓力增加。尤其是小開(kāi)度時(shí)，進(jìn)口壓力會(huì )急劇增加，這時(shí)閥內節流口處最低壓力會(huì )低于大氣壓力，出現氣穴甚至氣蝕，影響流體的流動(dòng)連續性，在實(shí)際選用調節閥時(shí)要避免此工況的出現; 開(kāi)度大時(shí)，流量的增加所帶來(lái)的壓力變化逐步較小。

　　閥芯所受的不平衡力直接關(guān)系調節閥控制裝置特性研究所需的參數及閥的性能特性，所以有必要對調節閥所受的不平衡力進(jìn)行研究。但是由于閥芯在中間位置時(shí)不平衡力難以用公式表示，因此，一般把調節閥全關(guān)時(shí)閥芯所受的靜態(tài)不平衡力作為調節閥執行機構的設計依據不精確。所謂調節閥的不平衡力就是指直行程的閥芯所受到流體的軸向合力。因此將閥內流場(chǎng)壓力的分布沿閥芯表面積積分，便是閥芯所受到的軸向合力，即調節閥的不平衡力。

　　對閥內流場(chǎng)進(jìn)行數值模擬，可以給出閥芯在不同位置時(shí)，沿閥芯表面的壓力分布，以此可研究調節閥在不同位置時(shí)受到的不平衡力。圖4為不同開(kāi)度、不同流量時(shí)閥芯底部壓力分布�？梢钥闯觯洪y通過(guò)相同流量時(shí)，開(kāi)口度越大，不平衡力越小;開(kāi)口度不變時(shí)，隨著(zhù)流量的增加閥芯底部壓力急劇增加，小開(kāi)口度時(shí)尤甚，由于節流口的作用，靠近節流口部位的壓力變化最明顯，閥中心位置壓力變化稍緩。

圖4 閥芯底部的壓力分布

　　2.2、可視化分析

　　對閥內部流場(chǎng)進(jìn)行仿真計算，可以得到閥內流場(chǎng)任何位置的壓力、速度等場(chǎng)量。篇幅有限，結合流場(chǎng)特征，給出代表性的可視化圖。圖5和圖6分別為閥芯開(kāi)度為25mm、閥軸對稱(chēng)面的流場(chǎng)壓力分布圖和速度矢量圖。

圖5 閥軸對稱(chēng)面的壓力分布圖

圖6 閥軸對稱(chēng)面的速度矢量圖

　　由圖5所見(jiàn)：在節流口部位，由于節流面積減小，流線(xiàn)收縮，速度增大，動(dòng)能增加，壓力降低，在出口流道拐角處壓力值很低，易產(chǎn)生氣穴，需要改進(jìn)。

　　從圖6中可以看出：在閥芯底部及閥出口處的拐角流道處出現了漩渦，流動(dòng)損耗大，流道優(yōu)化時(shí)需考慮。

3、結束語(yǔ)

　　對氣力輸送系統中物料流量調節閥進(jìn)行建模仿真，得出閥內流場(chǎng)分布狀況及閥芯所受不平衡力隨開(kāi)口度和工況不同的變化，為閥的設計和性能優(yōu)化以及氣力輸送系統控制裝置部分的設置提供了依據。