以數(shù)字V型球閥為研究對(duì)象，建立了閥門內(nèi)流場(chǎng)幾何模型與網(wǎng)格模型，運(yùn)用CFD相關(guān)理論與軟件，仿真分析了閥門內(nèi)部的三維流場(chǎng)，得到了V型球閥恒壓差、不同開度下的體積流量與相對(duì)流量等數(shù)據(jù)。研究了數(shù)字V型球閥相對(duì)體積流量與相對(duì)開度的關(guān)系、步進(jìn)電機(jī)數(shù)字脈沖信號(hào)與閥門開度的關(guān)系及步進(jìn)電機(jī)數(shù)字脈沖信號(hào)與閥門相對(duì)開度的關(guān)系。建立了數(shù)字V型球閥的理想流量特性曲線、位移曲線與靜態(tài)特性曲線。

　　球閥由閥體、閥桿與球體等組成。球體在扭矩作用下旋轉(zhuǎn)，通過(guò)改變通流面積實(shí)現(xiàn)閥門啟閉與流量調(diào)節(jié)等功能。由于流阻小、密封性好、結(jié)構(gòu)緊湊與壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，球閥已被大量運(yùn)用于管道系統(tǒng)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(diào)節(jié)特性，球閥也廣泛用于流量調(diào)節(jié)。

　　調(diào)節(jié)閥設(shè)計(jì)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(dǎo)了調(diào)節(jié)閥的直線流量特性、等百分比流量特性、快開流量特性和拋物線流量特性的理論公式;付衛(wèi)東等根據(jù)調(diào)節(jié)閥的流量特性，推導(dǎo)出了調(diào)節(jié)閥流量公式;孫豐位建立了V型球閥通流面積計(jì)算公式，通過(guò)編程計(jì)算討論了其等百分比流量特性的結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題;姚曉春利用數(shù)值仿真分析了V型球閥內(nèi)的流場(chǎng)，研究了其流量特性并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化;明錫東推導(dǎo)了氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的位移特性與靜態(tài)特性。

　　筆者運(yùn)用CFD相關(guān)理論與軟件，研究了自行設(shè)計(jì)的數(shù)字V型球閥的理論流量特性、位移特性和靜態(tài)特性，運(yùn)用Fluent仿真分析數(shù)字V型球閥內(nèi)流道的三維流場(chǎng)，得到了V型球閥在恒壓差和不同開度下體積流量與相對(duì)流量等數(shù)據(jù)，研究其相對(duì)體積流量與相對(duì)開度的關(guān)系和步進(jìn)電機(jī)數(shù)字脈沖信號(hào)與閥門開度的關(guān)系，最終繪出數(shù)字V型球閥的流量特性曲線、位移曲線與靜態(tài)特性曲線，為數(shù)字V型球閥的研發(fā)提供了借鑒，也為其他類型的數(shù)字調(diào)節(jié)閥的研究提供了借鑒。

1、數(shù)值仿真計(jì)算

　　1.1、幾何模型

　　根據(jù)V型球閥設(shè)計(jì)參數(shù)DN=50mm與PN=1.5MPa，參考閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)，完成設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制二維圖紙。為了使用CFD數(shù)值仿真，需延伸閥門的上下管道，采用Solidworks，建立V型球閥三維實(shí)體模型(見圖1)，通過(guò)布爾運(yùn)算，提取V型球閥在相對(duì)開度為100%時(shí)流道的三維幾何模型(見圖2)。

圖1 V型球閥的幾何模型

圖2 相對(duì)開度100%流道幾何模型

　　1.2、數(shù)學(xué)模型

　　1.3、計(jì)算域及邊界條件

　　1)選取計(jì)算區(qū)域。取V型球閥及閥門前5×D處管道和閥門后10×D處管道內(nèi)的流道為計(jì)算區(qū)域，保證進(jìn)出口邊界處湍流充分發(fā)展，計(jì)算穩(wěn)定流動(dòng)。2)網(wǎng)格劃分。由于閥體內(nèi)流道幾何形狀與流場(chǎng)分布復(fù)雜，需要高密度網(wǎng)格才能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，而管道內(nèi)的流道幾何形狀簡(jiǎn)單，低密度網(wǎng)格就可以保證計(jì)算精度。本文分塊劃分計(jì)算區(qū)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(jì)算精度和計(jì)算經(jīng)濟(jì)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(xiàn)負(fù)體積，使網(wǎng)格生成失敗。圖3為相對(duì)開度為100%時(shí)的網(wǎng)格模型。3)邊界條件。調(diào)節(jié)閥流量計(jì)算公式為Q=C(Δp/ρ)-2，調(diào)節(jié)閥額定流通能力C100指閥門開度達(dá)最大、閥門前后兩端壓差為10⁵Pa及介質(zhì)密度為1g/cm3時(shí)，流經(jīng)閥門的體積流量(m3/h)。分析不可壓縮流體的理想流量特性，可把閥門前后壓差定為105Pa。筆者根據(jù)脫硫除塵工藝要求，取V型球閥的PN=1.5MPa，則閥前后端壓強(qiáng)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(duì)開度為100%時(shí)的網(wǎng)格模型

　　1.4、數(shù)值模擬及結(jié)果

　　分別將相對(duì)開度為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%與100%V型球閥的網(wǎng)格模型導(dǎo)入計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件Fluent中，仿真計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)。表2為各開度下體積流量等相關(guān)數(shù)據(jù)，圖4、圖5分別為相對(duì)開度100%時(shí)的壓力與速度云圖。

表2 閥門開度與體積流量

圖4 相對(duì)開度為100%時(shí)的壓力云圖

圖5 相對(duì)開度為100%時(shí)的速度云圖

2、數(shù)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(hào)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(shù)，達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的。數(shù)字V型球閥由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和V型球閥兩部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是數(shù)字V型球閥的驅(qū)動(dòng)裝置，由步進(jìn)電機(jī)與減速器組成，它按脈沖信號(hào)的數(shù)目產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)角，使閥桿產(chǎn)生相應(yīng)的角位移，從而帶動(dòng)V型球閥閥芯動(dòng)作;球閥是調(diào)節(jié)部分，它直接與介質(zhì)接觸，由步進(jìn)電機(jī)主軸的角位移改變調(diào)節(jié)閥的節(jié)流面積而調(diào)節(jié)流量。

　　在實(shí)際使用中，調(diào)節(jié)閥通常需要得到流量的控制信號(hào)，傳統(tǒng)的分析方法將控制信號(hào)與流量的關(guān)系分解成控制信號(hào)與行程的關(guān)系和行程與流量的關(guān)系兩部分�？刂菩盘�(hào)與行程的關(guān)系稱為位移特性，行程與流量的關(guān)系稱為流量特性;調(diào)節(jié)閥控制信號(hào)與靜態(tài)時(shí)的流量關(guān)系稱為靜態(tài)特性，與動(dòng)態(tài)時(shí)的流量關(guān)系稱為動(dòng)態(tài)特性。下面研究數(shù)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(diào)節(jié)閥流道的相對(duì)流量和閥芯相對(duì)開度之間的關(guān)系，即Q/Qmax=f(l/lmax)。相對(duì)流量是指閥門在某一開度下的流量Q與全開度下流量Qmax之比;l/lmax是相對(duì)開度，即閥門在某一開度下的行程l與全開度下行程lmax之比.理想流量特性是指調(diào)節(jié)閥在恒定壓差下的流量特性.理想流量特性分為快開、拋物線、等百分比與直線流量特性.等百分比理想流量特性指單位相對(duì)位移變化Δl/ΔL引起的相對(duì)流量變化ΔQ/ΔQmax與其相對(duì)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(diào)節(jié)閥的理想流量特性曲線，圖7是根據(jù)表2繪制的V型球閥理想流量特性曲線。對(duì)比圖6與圖7兩條曲線可以看出，設(shè)計(jì)的V型球閥理想特性曲線走勢(shì)與等百分比理想流量特性曲線趨于一致，具有較好的等百分比調(diào)節(jié)特性。

圖6 參考理想流量特性曲線

圖7 理想流量特性曲線

　　2.2、位移特性數(shù)字

　　V型球閥脈沖信號(hào)與行程的關(guān)系稱為位移特性。筆者選用的步進(jìn)電機(jī)步距角為1.8°，即控制器每發(fā)出一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)1.8°。設(shè)計(jì)的減速器減速比i=32，控制信號(hào)的脈沖數(shù)p與閥桿行程轉(zhuǎn)角l的關(guān)系為l=P´1.8/32=0.05625P(°)，0≤P≤1600。圖8為數(shù)字V型球閥的位移特性曲線，由圖8可見，數(shù)字V型球閥脈沖信號(hào)數(shù)目與行程成線性關(guān)系。

圖8 位移特性曲線

　　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(hào)P與流量Q間的函數(shù)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(jù)脈沖數(shù)與流量的關(guān)系，通過(guò)控制向步進(jìn)電機(jī)發(fā)射脈沖的數(shù)目，達(dá)到實(shí)時(shí)控制V型球閥流量的目的。圖9為數(shù)字V型球閥的靜態(tài)特性曲線。

圖9 數(shù)字V型球閥靜態(tài)特性曲線

3、結(jié)束語(yǔ)

　　本研究通過(guò)分析數(shù)字V型球閥數(shù)值模擬及數(shù)據(jù)處理結(jié)果得到了以下結(jié)論：

　　1)建立數(shù)字V型球閥閥體內(nèi)流場(chǎng)幾何模型、劃分網(wǎng)格模型與設(shè)置合理邊界條件，分析了數(shù)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(shù)據(jù);處理了流場(chǎng)分析數(shù)據(jù)，繪制了數(shù)字V型球閥的理想流量特性曲線，該曲線與等百分比流量特性曲線的走勢(shì)具有很好的一致性，充分說(shuō)明設(shè)計(jì)的數(shù)字V型球閥具有很好的等百分調(diào)節(jié)功能，設(shè)計(jì)是合理的。

　　2)建立了步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)P與閥桿行程轉(zhuǎn)角l的數(shù)學(xué)關(guān)系，繪制了數(shù)字V型球閥的位移特性曲線，由此可得到步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)P與閥桿行程轉(zhuǎn)角l成線性比例關(guān)系。

　　3)將步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)P與閥桿行程轉(zhuǎn)角l間的數(shù)學(xué)關(guān)系代入流量特性公式中，建立了步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)P與V型球閥的體積流量的關(guān)系，繪制了數(shù)字V型球閥的靜態(tài)特性曲線，為調(diào)節(jié)閥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)，也為其他類型的數(shù)字調(diào)節(jié)閥的研發(fā)提供了借鑒。