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    調節閥流量特性分析及網孔型套筒閥優化計算

    類別:調節閥 | 發布日期:2020年02月22日

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    調節閥作為流量控制系統中的重要元件,通過改變其自身阻力特性調節系統的介質流量,其調節質量影響到整個系統的效率和穩定性。依照系統的調節需要設計調節閥,關鍵是設計調節閥結構及其閥芯的流通面積分布。

    目前已有的關于調節閥流量特性的研究主要集中在以下幾個方面,一是流量調節理論的研究,包括數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技術分析流量特性-。。對于流量特性與流通面積分布兩者之間聯系的討論,文獻中闡述了借助實驗數據和流體阻力系數一流通面積間線圖,或利用總流量系數等參數,計算特定形式調節閥的流通面積分布的方法;文獻[ 8」中也針對具體調節閥,提出了通過調整面積一行程分布改善流量特性的方案,并與實驗結果進行了比較。然而這些研究都是針對具體形式的調節閥,且依賴經驗數據和實驗數據,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系。而網孔型套筒閥的流量特性,也沒有相關文獻對其進行分析。

    本文設計了兩種不同結構的簡化模型,對其進行數值模擬研究,旨在分析其流量特性與流通面積分布關系之間的聯系,從中尋找規律。在此基礎上,對一種網孔型套筒閥進行了優化,計算了優化前后兩種調節閥的流量特性,并進行了比較分析。

    調節閥的流量特性

    調節閥的流量特性是指通過調節閥的流體的相對流量與相對開度之間的關系,包括理想流量特性和工作流量特性。

    理想流量特性

    流量控制系統由調節閥和其他系統元件共同構成,系統流量取決于系統的總阻力。因此,在不同的系統中,即使是相同的調節閥、相同的開度,流量也并不相同。而調節閥的理想流量特性能夠反映調節閥自身的調節特性:即調節閥前后壓差恒定的情況下,相對流量與相對開度之間的關系為調節閥理想流量特性(也稱調節閥的固有特性),其關系曲線稱為理想流量特性曲線,用數學表達式(l)表示。


    式中:q/Q為相對流量;//L為相對開度。

    在常見的調節閥中,有四種典型的流量特性曲線,即直線型、對數型(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節閥,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),調節靈敏度高,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?。?,調節靈敏度低,因而出現大開度下調節能力不足等問題,因此在一些情況下不能滿足調節要求。對數型流量特性的調節閥,流量變化速度逐漸加快,小開度時流量變化緩慢,調節精度高,大開度時流量變化相對較快,能保持良好的調節能力,這些特點使其在工程中得到了廣泛的應用。拋物線型調節閥的調節特性介于直線型和對數型兩者之間田,這種特性的調節閥在工程應用中也比較常見??扉_型調節閥的調節特點與對數型相反,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,具體到實際的調節閥時,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型曲線之間。選擇和設計調節閥時,須根據具體要求選擇適當的流量特性曲線作為設計參考。

    對于某些結構形式的調節閥,根據經驗公式或實驗參數,可以得到其理想流量特性曲線與流通面積分布之間的關系,據此可以由選定的理想流量特性曲線計算調節閥的流通面積分布。針對幾種具體結構形式的調節閥,文獻[ 0中介紹了計算流通面積分布的方法,但都需要實驗或經驗參數作為條件,并不適用于其他結構的調節閥。

    工作流量特性

    安裝在調節系統中的調節閥,隨著管路阻力等工作條件的變化,調節閥的前后壓差不再保持恒定,此時調節閥的相對流量與相對行程之間的關系稱為調節閥的工作流量特性。用數學表達式表示為:


    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)建立聯系「2」。


    式中PR為壓降比,表示調節閥前后壓差占調節系統總壓降的比值。

    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系已知,便可推求調節閥的流通面積分布。

    簡化模型的流量特性分析

    本文設計了兩種調節閥的簡化模型,根據其流通截面的形狀,分別稱之為扇形模型和環形模型,其流通截面的結構如圖2 所示。扇形模型的流通截面為扇形,設定其在0、360。范圍內隨行程均勻變化,流通面積與行程的關系為線性。環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系為平方關系。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。

    數值計算

    本文的數值模擬研究基于PROE軟件建模,GAMBIT軟件劃分網格、FLUENT軟件求解。按圖2中所示的結構建立模型: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),分別建立調節閥在不同開度下的模型。網格劃分:采用非結構網格劃分,扇形模型總網格數量為13萬個左右,環形模型為10萬個左右,扇形模型垂直于軸向的橫截面上網格形狀如圖3,網格沿軸向均勻分布,環形模型類似。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。

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    調節閥 分類

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