调节型球阀流量特性的数值分析与实验研究

第１期（总第２６期）　澈体秸动与控副　Ｎｏ．１（Ｓｅｆｉａｌ　Ｎｏ．２６）　２００８年１月　Ｆ１ｕｉｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｊａｎ．２００８　调节型球阀流量特性的数值分析与实验研究　沈新荣潘康单力钧徐炜芳　（浙江大学流体工程研究所浙江杭州　３　１００２７）　摘要：论文针对自行设计的调节型球阀，通过安装配流盘使其具有特殊流量特性，。采用ＲＮＧ　ｋ－ｅ湍流模型和非结　构化网格有限体积方法，在不同开度下，对阀内三维流动进行数值模拟；利用数值优化设计得到的调节型球阀模型，　在自行建造的专用实验台中进行了实验研究。数值分析和实验研究所获得的阀门调节杼胜曲线的对比结果表明，基　于三维ＣＦＤ数值模拟技术进行控制阀的研发十分有效，该文所得到的调节型球阀具有与初始设计目标非常一致的　流量特性。　关键词：调节型球阀；配流盘；数值模拟；实验研究　中图分类号：ＴＨ１３７　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７２—８９０４（２００８）０１—０００６—００４　引　言　在流体流动过程中，调节阀是整个流动控制的　重要部件，可实现特殊的流量条件特性。现有的大　密　多数直行程调节阀存在普遍的问题是结构复杂、生　阚鹰　产成本高、设备维修费用高、体积庞大以及安装不　方便等；相比较而言，角行程调节阀具有相对体积　小、可调比大、流通能力大等优点，近年来正逐渐成　为控制阀的研究热点。　本文采用工程经验公式与ＣＦＤ数值分析相结　配瀛盘　合的方法，根据流量特性公式和球阀配流盘通流　面积改变方式设计了具有不同流量特性的调节型　图ｌ设计球阀三维模型　球阀阀芯结构，并就其中一种流量特性的阀芯结　构进行了ＣＦＤ数值分析和实验研究。计算和实验　对于不可压缩流体，节流口为薄壁小孔（即孔　对比表明，三维ＣＦＤ数值分析方法应用于阀门模　径远大于孔长四倍的通流孔）时，流量控制方程简　型的新产品开发和优化设计和的方法十分可行，　化为：　本文设计的调节球阀具有十分理想的流量调节特　性。　ｑ：　＼，／　　１配流盘的型线构建与球阀的三维几何　式中：　造型　——孔板通流面积；　在实际设计中考虑制造成本及阀的互换性等　△ｐ——孔板前后压差；　方面因素，并为实现同一个球阀具有不同流量调节　Ｐ——流体密度；　特性，采用了角行程球阀前加平面配流孔的结构形　ｃ——孔板的流出系数。　式，见图１。整个调节球阀由阀座、阀杆、配流孔、密　由管路最小流量和最小通径估算球阀阀芯内　封挡板和球阀体组成。通流面积的改变是由旋转的　部流场Ｒｅ＞－５０００，流动为湍流状态。根据流出系数　球阀体和静止的配流孔实现。而具有不同结构配流　的大小和雷诺数的关系［２］，可认为流出系数ｃ近似　孔的配流盘则决定了调节型球阀的流量特性。　恒定。　具有理想等百分比调节特性的计算公式可简　收稿日期：２００７—１１－０５　化得到通流面积和阀门开度之间的近似关系式：　作者简介：沈新荣（１９６８一），男，汉族，浙江省杭州市人，副教授，博　Ａ　士，主要从事智能流体控制阀门的研究开发和教学工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

沈新荣等：调节型球阀流量特性的数值分析与实验研究　７　其中：　阀门通流面积由最大逐渐减小为零。阀门由９０。全　Ｒ一可调比（可控比）　一阀门开度　开时减小两个单位开度，当量的通流面积减小了　根据固定可调比　值可以得出不同开度下通　Ａａ；而当阀门由全关０。附近增大两个单位开度时，　流面积的大小，继而计算出等百分比球阀配流孔所　通流面积仅仅增大了△６。阀门不同位置相同开度变　需的开口形状以及相关参数。根据此思想设计的等　化对应的开口面积变化不同，使得球阀呈现等百分　百分比球阀的配流孔型线投影面积的形状见图２。　比的调节特性。　±击　２调节型球阀的数值计算　由前文构建的具有等百分比调节特性的调节型　球阀几何造型，进行各种工况的数值模拟＿３１　４Ｊ。具体　采用ＲＮＧ　ｋ—ｓ三维湍流模型　ｑ和非结构化网格有　限体积法＿７Ｊ，将ＣＦＤ计算结果经过截面压力积分平　均得到阀芯前后端面的平均压降损失，最终得到该　阀在不同开度下的通流能力（即流量系数　）与开　度（　）之问的关系。　８０７．　开　５０＇／．　２０Ｘ　数值模拟结果如图３～图４所示：图中显示了阀　图２等百分比球阀通流面积变化规律　后断面速度分布、阀芯开度８０％时阀芯前后断面速　度场、压力场。　当阀门开度由全开９０。连续变化为全关０。时，　０　０１Ｓ　０　０１　ｏｃ　０　００５　×０　．０　００Ｓ　＿０　０１　０　０１５　Ｙ　图３等百分比模型阀芯开度８０％阀芯断面及速度分布　对数值模拟和实验的结果进行整理得到球阀　的流量特性曲线，如图５　相对流量系数ＫｖＫ　　ｓ＝　（３）（３’　其中阀门流量系数定义：　…　上　３实验研究　为验证ＣＦＤ数值计算结果，我们专门搭建了装　实际使用时定义：　有高精度流量传感器和压差传感器的管道流动实　验台（如图６）。当调节型球阀的阀芯开度改变时，利　相对开度　＝——　（２）　用高精度超声波流量计和压差传感器进行快速数　据采样和信号处理，获得该调节型球阀在不同开度　下的流量ｑ和阀两端压差　实验值，利用公式（１）　维普资讯 http://www.cqvip.com ８　溢体秸动点控副　２００８年第１期　阀前１Ｄ速度等值线分布　阀前１Ｄ压力等值线分布　王１　ｏ　爱　船Ｄ８　萎　Ｏ　６　Ｏ４　Ｏ　２　ＯＯ　０　０　Ｄ　２　０４　Ｄ　６　０　８　ｔ　０　Ｏｒ　图５球阀流量特－眭曲线　图６调节阀试验装置示意　可以计算出流量系数。　流量系数实验值与ＣＦＤ计算值比较，见表１。　４结论　表１调节球阀流量系数ＣＦＤ计算值与实验值比较　本文对自行设计的新型调节阀进行了三维湍　开度　相对开度　Ｋ　（ＣＦＤ值）　实验值　流流动的数值分析和实验研究，结果表明：　９０　１．０　１７．９１　２１．０　１）ＣＦＤ数值模拟方法可以预测设计阀模型的　８０　０．９　１３．８４　１９．８　流量特性，为阀类设计节省了大量实验的成本。因　７２　０．８　８．６８　１２．８　此，三维ＣＦＤ数值模拟技术完全可以用于调节阀的　６３　０．７　４．６０　５．６　研发和设计。　５４　０．６　２．４５　２．９　２）利用阀门配流盘通流孔近似当量成孔板的　４５　０．５　、　１．５２　１．６　流量特性这个设计思路所获得的调节球阀具有一　３６　０Ｉ４　０．８３　０．９　定的近似性，　（下转第１１页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００８年１月　王东等：水压数字节流阀动态特性的仿真研究　制的数字阀比开环控制的更具优势，本文的设计即　采用闭环方式。　４结语　图６开环系统的Ｂｏｄｅ图　３．２结果分析　由仿真曲线可以看出，数字节流阀输出的阀芯　位移曲线具有振荡性和一定的超调量，开环系统的　超调量比闭环系统的超调量稍大。　开环、闭环系统的相位裕量为正相位裕量，增　益裕量Ｋ　约为５５ｄＢ，均可满足要求，开、闭环系统　都是稳定的。　水液压技术是目前流体传动与控制技术的前　沿性课题，在纺织、军事、食品工业等具有广泛的应　用前景。在水液压系统中，水压节流阀是被广泛采　用的关键元件之一，它通过改变可变节流口面积大　小，从而控制通过阀的流量，达到调节执行元件（缸　或马达）运动速度的目的。为达到较高的控制精度　和响应速度经常采用直接数字控制式。直接数字化　控制是目前研究较多的液压控制方式，采用微机与　数字控制策略相结合，不仅使系统结构简单，而且　在定位精度、动态品质与抗扰动等方面都具有良好　的效果。　参考文献　［１］王东．海、淡水节流阀的研究【ＪＪ．液压与气动，２００１．Ｎｏ．８　综合考虑二者在实用中的经济性，闭环系统优　点是采用了反馈，因而使系统的响应对外部干扰和　内部系统的参数变化均相当不敏感，可知，闭环控　［２］薛祖德．液压传动［Ｍ］．北京：中央广播电视大学出版社，　１９９６　［３］李洪人．液压控制系统［Ｍ］．北京：国防工业出版社，１９８６　Ｔｈｅ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｉｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇ　Ｖａｌｖｅ　ｗｉｔｈ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ＷＡＮＧ　Ｄｏｎｇ　ＺＨＯＵ　Ｄｉ　ＳＵＮ　Ｈｕｉ　ＳＨＯＵ　Ｔｉａｎ－ｃｈｅｎｇ　（上接第８页）必须通过ＣＦＤ的计算验证和配流孔　型线修正的工程方法才能得到比较理想的流量调　节特性。　参考文献　【４］沈新荣，李江莉，李增珍，陆冰．一种自动流量平衡阀的　数值分析与实验研究【ＪＪ．液压与气动，２００６，１，５６—６１　［５］Ｄ．Ｃｈｏｕｄｈｕｒｙ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｒｅｎｏｒｍａｌｉｚａｔｉｏｎ　Ｇｒｏｕｐ　Ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　Ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　Ｍｏｄｅｌｉｎｇ．Ｆｌｕｅｎｔ　Ｉｎｃ．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｍｅｍｏｒａｎｄｕｍ　ＴＭ一１０７．１９９３．　［１］源泉．阀门设计手册［Ｍ］．北京：机械工业出版，１９９２，１５５　［２］孙淮清，王建中．流量测量节流装置设计手册［Ｍ］．北京：化　学工业出版社，２００５．４　【３］沈新荣，陆５Ｒ　［６］陈庆光，徐忠，张永建．模式在工程湍流数值计算中的　应用【ＪＪ．力学季刊，２００３年　１期　［７］Ｐａｔａｎｋａｒ，Ｓ．Ｖ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｈｅａｔ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　ａｎｄ　Ｆｌｕｉｄ　Ｆｌｏｗ　［Ｍ］．Ｎｅｗ　Ｙｏｒｋ：Ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｅ，１９８０　冰，李江莉，李增珍．一种新型电动蝶阀调节　特性的数值计算与实验研究【ＪＪ－液压与气动，２００６，５，４７—　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｂａｌｌ　Ｖａｌｖｅ　ＳＨＥＮ　Ｘｉｎ——ｒｏｎｇ　ＰＡＮ　Ｋａｎｇ　ＳＨＡＮ　Ｌｉ－ｊｌｉＢ