基于CFD的數字V型球閥特性研究
以數字V型球閥為研究對象，建立了閥門(mén)內流場(chǎng)幾何模型與網(wǎng)格模型，運用CFD相關(guān)理論與軟件，仿真分析了閥門(mén)內部的三維流場(chǎng)，得到了V型球閥恒壓差、不同開(kāi)度下的體積流量與相對流量等數據。研究了數字V型球閥相對體積流量與相對開(kāi)度的關(guān)系、步進(jìn)電機數字脈沖信號與閥門(mén)開(kāi)度的關(guān)系及步進(jìn)電機數字脈沖信號與閥門(mén)相對開(kāi)度的關(guān)系。建立了數字V型球閥的理想流量特性曲線(xiàn)、位移曲線(xiàn)與靜態(tài)特性曲線(xiàn)。
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(guò)改變通流面積實(shí)現閥門(mén)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(cháng)等優(yōu)點(diǎn)，球閥已被大量運用于管道系統中。V型球閥因球體有V型切口，具有切斷纖維等的作用，可防止纖維堵塞流道，適于輸送黏性介質(zhì)、含顆粒物質(zhì)流體，廣泛用于造紙等行業(yè)。同時(shí)，由于具有等百分比調節特性，球閥也廣泛用于流量調節。
調節閥設計者必須了解其流量特性、位移特性和靜態(tài)特性。施俊良推導了調節閥的直線(xiàn)流量特性、等百分比流量特性、快開(kāi)流量特性和拋物線(xiàn)流量特性的理論公式;付衛東等根據調節閥的流量特性，推導出了調節閥流量公式;孫豐位建立了V型球閥通流面積計算公式，通過(guò)編程計算討論了其等百分比流量特性的結構優(yōu)化問(wèn)題;姚曉春利用數值仿真分析了V型球閥內的流場(chǎng)，研究了其流量特性并進(jìn)行了結構優(yōu)化;明錫東推導了氣動(dòng)調節閥的位移特性與靜態(tài)特性。
筆者運用CFD相關(guān)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(tài)特性，運用Fluent仿真分析數字V型球閥內流道的三維流場(chǎng)，得到了V型球閥在恒壓差和不同開(kāi)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(kāi)度的關(guān)系和步進(jìn)電機數字脈沖信號與閥門(mén)開(kāi)度的關(guān)系，最終繪出數字V型球閥的流量特性曲線(xiàn)、位移曲線(xiàn)與靜態(tài)特性曲線(xiàn)，為數字V型球閥的研發(fā)提供了借鑒，也為其他類(lèi)型的數字調節閥的研究提供了借鑒。
1、數值仿真計算
1.1、幾何模型
根據V型球閥設計參數DN=50mm與PN=1.5MPa，參考閥門(mén)設計手冊，完成設計計算，繪制二維圖紙。為了使用CFD數值仿真，需延伸閥門(mén)的上下管道，采用Solidworks，建立V型球閥三維實(shí)體模型(見(jiàn)圖1)，通過(guò)布爾運算，提取V型球閥在相對開(kāi)度為100%時(shí)流道的三維幾何模型(見(jiàn)圖2)。
圖1 V型球閥的幾何模型
圖2 相對開(kāi)度100%流道幾何模型
1.2、數學(xué)模型
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(mén)前5×D處管道和閥門(mén)后10×D處管道內的流道為計算區域，保證進(jìn)出口邊界處湍流充分發(fā)展，計算穩定流動(dòng)。2)網(wǎng)格劃分。由于閥體內流道幾何形狀與流場(chǎng)分布復雜，需要高密度網(wǎng)格才能保證計算的準確性，而管道內的流道幾何形狀簡(jiǎn)單，低密度網(wǎng)格就可以保證計算精度。本文分塊劃分計算區域網(wǎng)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(wǎng)格，閥體部分采用高密度網(wǎng)格，兼顧了計算精度和計算經(jīng)濟性，同時(shí)，可避免在網(wǎng)格劃分過(guò)程中使用T-Grid體網(wǎng)格出現負體積，使網(wǎng)格生成失敗。圖3為相對開(kāi)度為100%時(shí)的網(wǎng)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(mén)開(kāi)度達最大、閥門(mén)前后兩端壓差為105Pa及介質(zhì)密度為1g/cm3時(shí)，流經(jīng)閥門(mén)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(mén)前后壓差定為105Pa。筆者根據脫硫除塵工藝要求，取V型球閥的PN=1.5MPa，則閥前后端壓強分別為1.5MPa和1.4MPa。介質(zhì)為常溫狀態(tài)下的水，壁面邊界條件是絕熱的，與外界無(wú)能量交換。
圖3 相對開(kāi)度為100%時(shí)的網(wǎng)格模型
1.4、數值模擬及結果
分別將相對開(kāi)度為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%與100%V型球閥的網(wǎng)格模型導入計算流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Fluent中，仿真計算相關(guān)數據。表2為各開(kāi)度下體積流量等相關(guān)數據，圖4、圖5分別為相對開(kāi)度100%時(shí)的壓力與速度云圖。
表2 閥門(mén)開(kāi)度與體積流量
圖4 相對開(kāi)度為100%時(shí)的壓力云圖
圖5 相對開(kāi)度為100%時(shí)的速度云圖
2、數字V型球閥理想流量特性、位移特性與靜態(tài)特性研究
按照脈沖信號的方向和大小，通過(guò)改變閥芯角位移，改變V型球閥的阻力系數，達到調節流量的目的。數字V型球閥由執行機構和V型球閥兩部分組成。執行機構是數字V型球閥的驅動(dòng)裝置，由步進(jìn)電機與減速器組成，它按脈沖信號的數目產(chǎn)生相應的轉角，使閥桿產(chǎn)生相應的角位移，從而帶動(dòng)V型球閥閥芯動(dòng)作;球閥是調節部分，它直接與介質(zhì)接觸，由步進(jìn)電機主軸的角位移改變調節閥的節流面積而調節流量。
在實(shí)際使用中，調節閥通常需要得到流量的控制信號，傳統的分析方法將控制信號與流量的關(guān)系分解成控制信號與行程的關(guān)系和行程與流量的關(guān)系兩部分�？刂菩盘柵c行程的關(guān)系稱(chēng)為位移特性，行程與流量的關(guān)系稱(chēng)為流量特性;調節閥控制信號與靜態(tài)時(shí)的流量關(guān)系稱(chēng)為靜態(tài)特性，與動(dòng)態(tài)時(shí)的流量關(guān)系稱(chēng)為動(dòng)態(tài)特性。下面研究數字V型球閥的理想流量特性、位移特性與靜態(tài)特性。
2.1、理想流量特性
流量特性是指流體流過(guò)調節閥流道的相對流量和閥芯相對開(kāi)度之間的關(guān)系，即Q/Qmax=f(l/lmax)。相對流量是指閥門(mén)在某一開(kāi)度下的流量Q與全開(kāi)度下流量Qmax之比;l/lmax是相對開(kāi)度，即閥門(mén)在某一開(kāi)度下的行程l與全開(kāi)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(kāi)、拋物線(xiàn)、等百分比與直線(xiàn)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
圖6是R=30時(shí)等百分比調節閥的理想流量特性曲線(xiàn)，圖7是根據表2繪制的V型球閥理想流量特性曲線(xiàn)。對比圖6與圖7兩條曲線(xiàn)可以看出，設計的V型球閥理想特性曲線(xiàn)走勢與等百分比理想流量特性曲線(xiàn)趨于一致，具有較好的等百分比調節特性。
圖6 參考理想流量特性曲線(xiàn)
圖7 理想流量特性曲線(xiàn)
2.2、位移特性數字
V型球閥脈沖信號與行程的關(guān)系稱(chēng)為位移特性。筆者選用的步進(jìn)電機步距角為1.8°，即控制器每發(fā)出一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機的主軸轉動(dòng)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(guān)系為l=P´1.8/32=0.05625P(°)，0≤P≤1600。圖8為數字V型球閥的位移特性曲線(xiàn)，由圖8可見(jiàn)，數字V型球閥脈沖信號數目與行程成線(xiàn)性關(guān)系。
圖8 位移特性曲線(xiàn)
2.3、靜態(tài)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(guān)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。
可以根據脈沖數與流量的關(guān)系，通過(guò)控制向步進(jìn)電機發(fā)射脈沖的數目，達到實(shí)時(shí)控制V型球閥流量的目的。圖9為數字V型球閥的靜態(tài)特性曲線(xiàn)。
圖9 數字V型球閥靜態(tài)特性曲線(xiàn)
3、結束語(yǔ)
本研究通過(guò)分析數字V型球閥數值模擬及數據處理結果得到了以下結論：
1)建立數字V型球閥閥體內流場(chǎng)幾何模型、劃分網(wǎng)格模型與設置合理邊界條件，分析了數字V型球閥的CFD流場(chǎng)，得到了壓力云圖、速度云圖和體積流量等數據;處理了流場(chǎng)分析數據，繪制了數字V型球閥的理想流量特性曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)與等百分比流量特性曲線(xiàn)的走勢具有很好的一致性，充分說(shuō)明設計的數字V型球閥具有很好的等百分調節功能，設計是合理的。
2)建立了步進(jìn)電機脈沖數P與閥桿行程轉角l的數學(xué)關(guān)系，繪制了數字V型球閥的位移特性曲線(xiàn)，由此可得到步進(jìn)電機脈沖數P與閥桿行程轉角l成線(xiàn)性比例關(guān)系。
3)將步進(jìn)電機脈沖數P與閥桿行程轉角l間的數學(xué)關(guān)系代入流量特性公式中，建立了步進(jìn)電機脈沖數P與V型球閥的體積流量的關(guān)系，繪制了數字V型球閥的靜態(tài)特性曲線(xiàn)，為調節閥控制系統的設計提供了數據依據，也為其他類(lèi)型的數字調節閥的研發(fā)提供了借鑒。
