1 引言

    生產(chǎn)過程自動(dòng)化和流體輸配過程中調(diào)節(jié)閥有著廣泛的應(yīng)用背景，調(diào)節(jié)閥的流量調(diào)節(jié)特性直接關(guān)系著整個(gè)自動(dòng)控制的品質(zhì)。電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的流量特性一般可以分為直線、等百分比、快開和拋物線等，其中普通角行程蝶閥因有K_VS明顯偏大、調(diào)節(jié)特性差等缺點(diǎn)，只能應(yīng)用于簡單開關(guān)控制場合。

    本文作者自行研究開發(fā)一種新型的調(diào)節(jié)蝶閥模型，即通過在閥板上安裝配流盤實(shí)現(xiàn)線性流量特性的調(diào)節(jié)蝶閥。這種閥門的內(nèi)流結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，對(duì)執(zhí)行器配置技術(shù)要求較低，且同一口徑規(guī)格的閥門可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的標(biāo)稱流量系數(shù)，應(yīng)用十分靈活。

    本文通過利用CFD技術(shù)對(duì)新型調(diào)節(jié)蝶閥的多個(gè)閥門設(shè)計(jì)模型進(jìn)行了三維湍流模擬，在數(shù)值結(jié)果對(duì)比和人工優(yōu)化后，對(duì)符合要求的產(chǎn)品模型再一次進(jìn)行配流孔尺寸的修正，滿足了理想的線性流量特性。

    論文研究者還搭建專門了實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用裝配高精度傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，對(duì)調(diào)節(jié)閥的流量特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，利用CFD技術(shù)對(duì)閥門模型的創(chuàng)新研發(fā)結(jié)果是可行的，我們所開發(fā)的安裝配流板的調(diào)節(jié)蝶閥具有線性流量調(diào)節(jié)特性。

    2 基本原理和三維建模

    調(diào)節(jié)閥可以簡化成一個(gè)阻力可變的節(jié)流元件，主要用于調(diào)節(jié)控制節(jié)點(diǎn)的流動(dòng)特征（如流量、壓力等）。 配置電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)閥門簡稱電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，利用電動(dòng)執(zhí)行器通過改變閥門的通流面積，從而改變了自身的流量系數(shù)，簡化的工程計(jì)算公式：

    式中：G_V是一種閥門開度和流體介質(zhì)相關(guān)的流量系數(shù)；A是閥門的當(dāng)量通流面積；Δp=p₁-p₂是閥門前后截面平均壓力的差值；Q為通過閥門的體積流量；ρ為流體介質(zhì)密度。

    對(duì)于確定的流體介質(zhì)來說，閥門在一特定開度范圍和確定Re數(shù)范圍內(nèi)，其C_V值將近似保持不變。假設(shè)閥門壓差保持不變，則閥門開度與體積流量成線性關(guān)系的閥門稱為閥門流量線特性。

    我們所自行設(shè)計(jì)開發(fā)的閥門計(jì)算模型如圖1所示，整體由蝶閥板、轉(zhuǎn)到軸、閥體和2塊配流板組成。U型配流板的作用不僅僅是為了調(diào)節(jié)閥門全開狀態(tài)下的流量系數(shù)，同時(shí)在閥門旋轉(zhuǎn)過程中通過調(diào)節(jié)閥門的當(dāng)量通流面積，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥門的線性流量特性要求。

圖1 調(diào)節(jié)蝶閥的產(chǎn)品模型

    具體數(shù)值模擬過程中我們假設(shè)來流速度恒定不變，也就是閥門所在管道的入口處的速度恒定。在計(jì)算模型的選擇上，我們采用的是工程中應(yīng)用比較廣泛的RNGK-ε三維湍流模型和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的SIMPLE方法。網(wǎng)格大致結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Y=0的軸向剖面局部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

    數(shù)值模擬的收斂節(jié)條件為：Continuity、X-velocity、Yvelocity、Z-velocity、K、Epsilon值均小于0.001。對(duì)閥門在不同的開度X、不同來流速度進(jìn)行了數(shù)值模擬。

    在數(shù)值計(jì)算得出結(jié)果后首先是定性分析。在計(jì)算結(jié)果的三維模型中取一軸向平面，利用工具軟件顯示其Z-velocity云圖，90°全開的數(shù)值結(jié)果如圖3顯示，閥門上下速度呈對(duì)稱狀態(tài)，閥門內(nèi)流速度分布合理。通過對(duì)閥門前后某管道截?cái)嗝鎵毫鲞M(jìn)行三維數(shù)值離散積分，得出遠(yuǎn)離閥門一定距離的前后管道截?cái)嗝娴钠骄鶋毫χ担M(jìn)而得出閥門壓降，截面壓力如圖4a、4b所示，截面速度如圖4c、4d所示。我們可以看出所取的壓力面上壓力場處于穩(wěn)定狀態(tài)，各個(gè)點(diǎn)的壓力已十分接近。在計(jì)算結(jié)果的處理上，我們采用點(diǎn)壓來代表面的平均壓力。因此更加有利于和后面的實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行對(duì)比。

圖3 閥門在全開情況下的軸向速度矢量圖

圖4 閥前、閥后的截面壓力和速度

    3 實(shí)驗(yàn)測試

    為了驗(yàn)證三維湍流數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)結(jié)果，我們專 門加工制造了與三維計(jì)算模型相同尺寸和相同內(nèi)部結(jié)構(gòu)的閥門模型，同時(shí)搭建了裝配有高精度流量傳感器和壓差傳感器的管路實(shí)驗(yàn)臺(tái)（如圖5所示）。利用高分辯率電動(dòng)執(zhí)行裝置轉(zhuǎn)動(dòng)閥門，在不同的開度下測量閥門的壓降以及流量Q。其中流量系數(shù)、相對(duì)流量系數(shù)的定義參考文獻(xiàn)^[1]、[2]（見表1），試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

圖6 模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)擬和曲線對(duì)比

    4 結(jié)論

    本文通過對(duì)自行設(shè)計(jì)的新型線性特性的調(diào)節(jié)蝶閥模型進(jìn)行了三維湍流流動(dòng)的數(shù)值分析，同時(shí)利用數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行人工優(yōu)化后，選擇了一個(gè)產(chǎn)品模型，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明：

    （1）利用閥門配流板當(dāng)量通流面積的初步設(shè)計(jì)思路，結(jié)合CFD優(yōu)化技術(shù)所計(jì)算獲得的調(diào)節(jié)蝶閥具有線性流量特性，方法可行；
    （2）當(dāng)量數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比結(jié)果表明，CFD數(shù)值模擬方法可以預(yù)測設(shè)計(jì)閥模型的流量特性，為閥類新產(chǎn)品的研發(fā)節(jié)省了大量實(shí)驗(yàn)的成本。因此，三維CFD數(shù)值模擬技術(shù)完全可以用于調(diào)節(jié)閥的開發(fā)和設(shè)計(jì)； 
    （3）利用本文的方法得到的調(diào)節(jié)型電動(dòng)蝶閥具有十分理想的線性調(diào)節(jié)特性，可以推廣應(yīng)用。

原創(chuàng)作者：浙江金鋒自動(dòng)化儀表有限公司