（化工过程机械专业论文）调节阀内部流场的数值模拟及优化分析.pdf

硕士学位论文 摘要 随着自动化程度的不断提高和流程工艺的发展，调节阀已日益广泛地应用于 冶金、电力、化工、石油、轻纺、建材等工业部门中。调节阀在调节系统中是必 不可少的，是过程控制工业里最常用的终端控制元件，它是组成工业自动化系统 的重要环节，被称之为生产过程自动化的“手脚”。调节阀接受标准控制信号，将 控制信号变成相应的机械位移，改变阀门的流通面积，从而达到对被控对象参数 ( 压力、流量、温度、液位等) 的控制目的，保证过程控制系统连续、有效的正 常运行。 调节阀是工业自动化仪表中使用问题最多的产品，调节阀的品种多、规格多， 可靠性差，调节阀的流量特性与工业过程被控对象特性不匹配，造成控制系统品 质变差，调节阀是耗能设备，应降低调节阀的能耗，提高能源的利用率。 计算流体动力学( c f d ) 以计算机作为模拟手段，运用一定的计算技术寻求 流体力学各种复杂问题的离散化数值解。c f d 方法在产品的设计中的应用使得产 品的结构设计更趋于合理。近年来，在阀门设计中c f d 数值模拟也得到应用。 本文主要工作： 一、针对使用广泛的某一类型参数的套筒型调节阀，应用三维建模软件建立 阀门内部流场模型，通过c f d 前处理器生成计算网格，应用c f d 软件进行离散 求解，可以得到调节阀内部流场的可视化图形，如压力、速度等矢量图，等值线 图等。通过数值模拟不同开度下流量，得到调节阀的流量特性曲线，与试验测定 的数据进行了比较分析，得出的结论是本文所建的模型是正确可靠的。 二、以降低湍动能和湍流耗散率为目标，对能量损失严重的部位进行流道优 化，再对优化改进后的流道进行数值模拟，与改进前的流道数值模拟进行比较， 得出最优改进模型，并对流道优化提出建议。 通过数值模拟计算得到了套筒调节阀的流量特性曲线和阀门流道内三维流动 的详细情况。c f d 数值模拟的优势尤其表现在新产品的研制开发中，它不但能大 幅度取代常规实验提供各种流动特性参数，而且能通过揭示流场三维分布形态为 优化设计提供详细依据；文中所采用c f d 方法必将大大提高套筒型调节阀设计的 技术含量与产品质量，可缩短调节阀的设计和加工周期，节省大量成本，并且通 过流道优化，对降低流体流过调节阀的能量损失，提高能源利用率等具有十分重 要的意义。 关键词：调节阀；流量特性；流量系数；数值模拟；优化；分析 塑薹望窒墼堡丝竺鍪堡堡型耋堡些坌丝 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n ti m p r o v e m e n to ft h ea u t o m a t i cd e g r e ea n dd e v e l o p m e n to ft h e p r o c e s st e c h n o l o g y ，t h ec o n t r o lv a l v eh a sa l r e a d yb e e nw i d e l ya p p l i e dt om e t a l l u r g y ， e l e c t r i c i t y c h e m i c a li n d u s t r y 。p e t r o l e u m ，t e x t i l ei nt h ei n d u s t r i a ld e p a r t m e n t t h e c o n t r o lv a l v ei se s s e n t i a li nc o n t r o ls y s t e m ，i nt h ep r o c e s sc o n t r o li n d u s t r yt h em o s t c o m m o n l yu s e dt e r m i n a lc o n t r o lp a r ti sac o n t r o lv a l v e ，i ti st h ei m p o r t a n tl i n kw h i c h m a k e su pi n d u s t r y 。sa u t o m a t e ds y s t e m ，i sc a l l e di tt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa u t o m a t i o n ”t h eh a n d sa n df e e t ”t h ec o n t r o lv a l v ea c c e p t st h es t a n d a r dc o n t r o ls i g n a l ，w i u c o n t r o lt h es i g n a lt ot u r nt h ec o r r e s p o n d i n gm e c h a n i c a ld i s p l a c e m e n t ，c h a n g et h ea r e a o fc i r c u l a t i o no ft h ev a l v e ，t h u sa c h i e v et ot h ec o n t r o lp u r p o s et oa c c u s eo ft a r g e t s p a r a m e t e r ( p r e s s u r e ，f l o w ，t e m p e r a t u r e , l i q u i dl e v e l ，e t c ) ，g u a r a n t e ec o n t i n u o u s p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ， e f f e c t i v ei nn o r m a lo p e r a t i o n t h ec o n t r o lv a l v ei st h ep r o d u c t su s i n gt h em o s tq u e s t i o n si nt h ei n d u s t r i a l a u t o m a t i o ni n s t r u m e n t ，t h ec o n t r o lv a l v ei nm a n yv a r i e t i e sa n ds p e c i f i c a t i o n s ， i o w r e l i a b i l i t y t h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c o ft h ec o n t r o lv a l v ei n d u s t r i a l p r o c e s sp l a n t c h a r a c t e r i s t i c sa r en o tm a t c h i n g ， c a u s i n g d e t e r i o r a t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mq u a l i t y , t h ec o n t r o lv a l v ei se n e r g y c o n s u m i n ge q u i p m e n t ， w es h o u l dr e d u c et h ee n e r g y c o n s u m p t i o no ft h er e g u l a t i n gv a l v e ，i m p r o v et h eu t i l i z a t i o nr a t i oo ft h ee n e r g y c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ( c f d ) r e g a r d sc o m p u t e ra st h es i m u l a t i o nm e a n s ， u t i l i z e st h ec e r t a i nc o m p u t a t i o nt e c h n o l o g yt os e e kh y d r o m e c h a n i c se a c h k i n do f c o m p l e xq u e s t i o nt h es e p a r a t en u m e r i c a ls o l u t i o n c f d i nt h ed e s i g no fp r o d u c t sm a d e i nt h es t r u c t u r a ld e s i g nt e n d st ob em o r er e a s o n a b l e i nr e c e n ty e a r s ， c f dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nh a sb e e na p p l i e di nt h ev a l v ed e s i g n m a i nw o r ko ft h i st e x t ： f i r s t ，i nv i e wo ft h eu s ew i d e s p r e a ds o m et y p ep a r a m e t e rc a g ec o n t r o lv a l v e , u s et h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n gs o f t w a r et oe s t a b l i s h m e n tv a l v ei n t e r i o rf l o wf i e l d m o d e l t h r o u g hc f dp r e p r o c e s s o rp r o d u c t i o nc o m p u t a t i o ng r i d ，u s i n gc f d s o f t w a r e t os e p a r a t es o l v e ， m a yo b t a i nt h er e g u l a t i n gv a l v ei n t e r i o rf l o wf i e l dt h ev i s i b l e g r a p h ， l i k ep r e s s u r ea n dv e l o c i t yv e c t o r sc h a r t ，c o n t o u rm a pa n ds oo n w i t hm a k e o n ed e g r e eo ff l o wo fm a k i n gt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， r e c e i v i n gt h ef l o w c h a r a c t e r i s t i co ft h ec o n t r o lv a l v e ，c a r r i e so nt h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i sw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld e t e r m i n a t i o nd a t a o b t a i n st h ec o n c l u s i o ni st h em o d e lw h i c ht h i sa r t i c l e 一 c o n s t r u c t si sc o r r e c ta n dr e l i a b l e s e c o n d ，t h k ct h eg o a lo fr e d u c e st h et u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g ya n dt h et u r b u l e n t d i s s i p a t i o nr a t e s ，o p t i m i z et h ee n e r g yl o s ss e r i o u ss i t e ，a f t e ro p t i m i z e st h ef l o wc h a n n e l t oc a to nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，c o m p a r i s o nw i t ht h ei m p r o v e m e n tb e f o r ef l o w c h a n n e ln u m e r i c a ls i m u l a t i o na n do b t a i n st h eo p t i m i z e di m p r o v e m e n tm o d e la n dt h e c o n v e c t i o no n eo p t i m i z e ds u g g e s t i o na r ep u t t i n gf o r w a r d a f t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a nb eo b t a i nf l o wc h a r a c t e r i s t i cc u r v ea n dt h e t h r e e d i m e n s i o n a lf l o wi nd e t a i l t h ea d v a n t a g eo fc f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n e s p e c i a l l yd i s p l a y si nt h ed e v e l o p m e n to ft h en e wp r o d u c t s ，i tn o to n l yc a nr e p l a c et h e r o u t i n ee x p e r i m e n ta n do f f c rv a r i o u sk i n d so ff l o wc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sb yal a r g e m a r g i n ， i tn o to n l yc a nr e p l a c ec o n v e n t i o n a le x p e r i m e n t a ls u b s t a n t i a l l yp r o v i d e v a r i o u sf l o wp a r a m e t e r s ，a n dr e v e a l st h r o u g ht h r e e d i m e n s i o n a lf l o wf i e l dp a t t e r nt o o p t i m i z ed e s i g nb a s e do nd e t a i l e d c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni nt h i st e x ta p p l i c a t i o n s w i l lg r e a t l ye n h a n c et h ec a g ec o n t r o lv a l v ed e s i g na n dt h et e c h n i c a ll e v e la n dp r o d u c t q u a l i t y ，r e d u c i n gc a g ec o n t r o lv a l v ed e s i g na n dp r o c e s s i n gc y c l e ，s i g n i f i c a n tc o s t s a v i n g s ，a n do p t i m i z e st h r o u g ht h ef l o wc h a n n e l ，t or e d u c ef l u i df l o wt h r o u g ht h e v a l v eo fe n e r g yl o s s ，i m p r o v i n ge f f i c i e n c yi nt h eu s eo fe n e r g yh a v et h ee x t r e m e l yv i t a l s i g n i f i c a n c e k e yw o r d s ：c o n t r o lv a l v e ； f l o wc h a r a c t e r i s t i c ：f l o wc o e f f i c i e n t ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； o p t i m i z a t i o n ：a n a l y s i s m 兰州理工大。学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签- , - g ：江号 日期：。年月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名； 溶弗屯 导师躲俞似压 日期：0 7 年f 月s 日 日期：o 年月孓日 硕士学位论文 第1 章绪论 阀门广泛应用于石油、化工、冶金、电力、纺织、轻工、机械制造、建筑和 国防军工等国民经济各部门，已成为各种流体装置中不可缺少的控制设备。 按照定义，阀门是专门设计成的机械器件用以直流、启动、停止、混合或调 节工艺流体的流量、压力或温度。 按阀门的设计、功能和应用的特征，它的类型、尺寸和压力等级有很多种类。 依照用途和作用可分为：截断阀类( 主要用于截断或接通介质流，包括闸阀、截 止阀、隔膜阀、旋塞阀、球阀和蝶阀等) ；调节阀类( 主要用于调节介质的流量、 压力等，包括调节阀、节流阀和减压阀等) ；止回阀类( 用于阻止介质倒流，包括 各种结构的止回阀) ；分流阀类( 用于分配、分离和混合介质，包括各种结构的分 配阀和疏水阀等) ；安全阀类( 用于超压安全保护。包括各种类型的安全阀) 。 依照压力可分为：真空阀( 工作压力低于标准大气压的阀门) ；低压阀( 公称 压力p n = 1 6 m p a 的阀门) ；中压阀( 公称压力p n 2 5 6 4 m p a 的阀门) ；高压 阀( 公称压力p n l 0 o 8 0 0 m p a 的阀门) ；超高压阀门( 公称压力p n = 1 0 0 m p a 的阀门) 。 最小的工业阀门重量可小到0 4 5 k g ，可舒适地放到人的手中，而最大的可重 到9 0 7 0k g 以上，高度达到6 1 m 以上。 工业过程阀门能用于管线尺寸由公称直径d n l 5 到超过d n l 2 0 0 。 现有的阀门领域已由简单的水龙头发展到备有信息处理机的调节阀，该信息处 理机提供工艺过程的单环路控制。 1 1 调节阀的现状和发展 1 1 1 调节阀的历史和现状 过程工厂是由成百甚至上千个控制回路组成的。所有这些控制回路被连接成 网络以生产可供销售的产品。每一个控制回路都经过设计以保证重要的过程变量 如压力、流量、液位、温度等不超出要求的工作范围，这样可以确保最终产品的 质量。每一个回路都会接受并从内部产生扰动。这些干扰对过程变量产生决定性 的影响。网络里其它回路之间的相互作用也会产生影响过程变量的扰动“l 。 为了减少这些负载扰动的影响，传感器和变送器会收集关于过程变量及其与 要求的设定点之问的关系的信息。控制器然后处理这些信息并决定必须怎样做才 能使得过程变量在负载扰动发生后恢复到它的正常范围。所有的测量、比较和计 算工作完成后，某种类型的终端控制元件必须执行由控制器选择的控制策略。 过程控制工业里最常用的终端控制元件就是调节阀。调节阀调节流动的流体， 调节阕内部流场的数值模拟与优化分析 如气体、蒸汽、水或化学混合物，以补偿负载扰动并使得被控制的过程变量尽可 能地靠近需要的设定点。 调节阀又称为控制阀，是过程控制系统中用动力操作去改变流体流量的装置， 由执行机构和阀组成。执行机构起推动作用，而阀起调节流量的作用。调节阀作 为过程中的终端元件，随着自动化程度的不断提高，已日益广泛地应用于冶金、 电力、化工、石油、轻纺、造纸、建材等工业部门中。 调节阀在调节系统中是必不可少的，它是组成工业自动化系统的重要环节， 被称之为生产过程自动化的“手脚”。如下图1 自动调节系统的构成所示。控制阀 一般由气( 电) 动或电液执行机构和调节机构组成气( 电) 动、电液控制阀，而 气动控制阀常需配用定位器来使用位1 。 图1 1 自动调节系统的构成 控制阀接受标准控制信号( 模拟、数字) ，将控制信号变成相应的机械位移( 如 直线、转角等) ，改变阀门、风门、挡板等的流通面积，从而达到对被控对象参数 ( 压力、流量、温度、液位等) 的控制目的，保证过程控制系统连续、有效的正 常运行。 最早的调节阀是1 8 8 0 年由费希尔制造的泵调节器，这是一种带重锤自力式调 节阀，利用重锤平衡阀芯所受到的流体作用来进行调节当阀后压力增大时，在 重锤的作用下，使控制阀开度减少，从而达到稳定压力的控制效果。 在2 0 世纪2 0 3 0 年代，调节阀以阀体形状为球形阀为主。以“v ”型缺口的 双座阀和单座阀为代表产品问世。 4 0 年代出现定位器，调节阀新品种进一步产生，出现隔膜阀、角型阀、蝶阀、 球阀等。 5 0 年代球阀得到较大的推广使用，三通阀代替两台单座阀投入系统。 6 0 在国内对上述产品进行了系列化的改进设计和标准化、规范化后，国内才 才有了完整系列产品。现在我们还在大量使用的单座阀、双座阀、角型阀、三通 阀、隔膜阀、蝶阀、球阀七种产品仍然是六十年代水平的产品。 7 0 年代又一种新结构的产品偏心旋转阀问世。这一时期套筒阀在国外被 广泛应用。7 0 年代末，国内联合设计了套筒阀，使中国有了自己的套筒阀产品系 列。 8 0 年代初由于改革开放，中国成功引进了石化装置和调节阀技术，使套筒阀、 偏心旋转阀得到了推广使用，尤其是套筒阀，大有取代单、双座阀之势，其使用 2 硕士学位论文 越来越广。8 0 年代末，调节阀又一重大进展是日本的c v 3 0 0 0 和精小型调节阀， 它们在结构方面，将单弹簧的气动薄膜执行机构改为多弹簧式薄膜执行机构，阀 的结构只是改进，不是改变。它的突出特点是使调节阀的重量和高度下降3 0 ， 流量系数提高3 0 。 9 0 年代的重点是在可靠性、特殊疑难产品的攻关、改进、提高上。到了9 0 年代末，由华林公司推出的全功能超轻型阀。它突出的特点是在可靠性上、功能 上和重量上的突破。功能上的突破一一唯一具备全功能的产品，故此，可由一种 产品代替众多功能上不齐全的产品，使选型简化、使用简化、品种简化；在重量 上的突破一一比主导产品单座阀、双座阀、套筒阀轻7 0 8 0 ，比精小型阀还轻 4 0 5 0 ；可靠性的突破解决了传统阀一系列不可靠性因素，如密封的可靠性、 定位的可靠性、动作的可靠性等。该产品的问世，使中国的调节阀技术和应用水 平达到了九十年代末先进水平；它是对调节阀的重大突破；尤其是电子式全功能 超轻型阀，必将成为下世纪调节阀的主流。 1 1 2 调节阀应用中存在的问题 调节阀是工业自动化仪表中使用问题最多的产品，也是更新换代最慢的产品， 几十年一贯制，到现在，还是以五六十年代水平的产品一单座阀、双座阀、套筒 阀为主导产品( 占7 0 左右) ，可见，产品陈旧落后。在使用中常遇到以下问题0 1 ： 1 调节阀的品种多，规格多，参数多。单座阀、双座阀、套筒阀等产品加上 压力、温度、特性等变型参数总计达1 0 0 0 0 多个规格，造成调节阀选型、工厂管 理复杂化。 2 调节阀的可靠性差。调节阀在出厂时的特性在使用一段时间后的特性有很 大的差异，如泄露量增加、噪声增大等，给长期稳定运行带来困难。 3 调节阀笨重，给调节阀的运输、安装、维修带来不便。如一台d n 2 0 0 的阀 重7 0 08 0 0 公斤，一台d n 3 0 0 的阀重9 0 0 1 0 0 0 公斤。 4 调节阀的流量特性与工业过程被控对象特性不匹配，造成控制系统品质变 差。 5 调节阀噪声过大工业应用中，调节阀的噪声已成为工业设备的主要噪声 源。 6 调节阀是耗能设备，应降低调节阀的能耗，提高能源的利用率。 1 1 3 调节阀的发展方向 调节阀的发展方向主要为智能化、标准化、精小化、旋转化、节能、环保等。1 。 1 智能化：主要表现在调节阀的自我诊断；减少产品类型，简化生产流程； 数字通信；智能阀门定位器等。 2 标准化：主要表现在实现产品互换性、实现互操作性、标准化的诊断软件 3 调节阏内部流场的数值模拟与优化分析 和其他辅助软件、标准化的选型程序等。 3 精小化：主要表现在采用精小型执行机构、改变流路结构、采用电动执行 机构等。 4 旋转化：由于旋转类调节阀相对体积较小、流动阻力较小、可调比较大、 密封性较好、防堵性能较好、流通能力较大等优点，所以在新产品中，旋转阀的 比重增加。 5 节能：降低调节阀的能耗，提高能源的利用率是调节阀的一个发展方向。 主要表现在采用低压降比的调节阀、采用自力式的调节阀、采用电动执行机构、 采用压电调节阀、采用带平衡机构的阀芯等。 1 2c f d 方法在调节阀中应用 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 以计算机作为 模拟手段，运用一定的计算技术寻求流体力学各种复杂问题的离散化数值解。数 值解法是一种离散近似的计算方法。它所能获得的不像解析解那样是被研究区域 中未知量的连续，而只是某些代表性地点( 称为节点) 上的近似值。电子计算机 中的一切计算都是通过加、减、乘、除四则运算来完成的。为了用计算机解出节 点上未知量的近似值，首先需要从给定的微分方程或基本物理定律出发，建立起 关于这些节点上未知量近似值之间的代数方程( 称为离散方程) ，然后对之进行求 解。所以可以说通过c f d 得到的是数值解而不是解析解，而且计算技术起关键作 用，与计算机的发展紧密相关。因此c f d 可以看成是在流动基本方程( 质量守恒 方程、动量守恒方程、能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。 c f d 方法、理论分析方法、实验研究方法是流体力学研究工作的三种主要方 法既互相独立又相辅相成。理论分析具有普遍性，为实验研究和数值计算提供理 论依据；实验研究得到的结果真实可信，是理论分析和数值计算的基础；数值计 算的方法正具有成本低及能模拟较复杂或较理想的工况等优点，它可以拓宽实验 研究的范围，减少实验的工作量，可以说数值模拟是特殊意义下的实验，也称数 值实验。 随着电子计算机和c f d 的迅猛发展，c f d 数值模拟的优越性越来越明显，己 逐渐成为工程设计的一个很重要的辅助手段。c f d 作为一种工程研究和设计手段 开始于七十年代，由于受到计算机硬件和计算费用的制约，c f d 最初只是在核工 业和航空业中获得应用。随着计算机技术的飞跃发展，计算机成本的逐渐下降， 性能不断改进，在八十年代初期，c f d 已经引人汽车制造业和化工领域，但是它 仍未能得到广泛应用。所有涉及流体、热量、分子输运等现象相关的问题，都可 以通过计算流体力学的方法进行分析和模拟。只是在近十年中，计算机的计算速 度和存贮能力已有大幅度提高，而计算机硬件成本反而急剧下降。很多工程技术 人员都能够很容易使用计算机工作台，从而在一般工程设计中得到广泛应用。 4 硕士学位论文 近年来，在阀门设计中c f d 数值模拟也得到应用，c f d 已在很多专业领域获 得了广泛应用，从化工行业到飞机制造业，从汽车工业到环境科学，都有成功应 用c f d 的例子。发达国家在这类产品的研究开发中已运用数值模拟为主进行设计 方案预选，再以较少量试验来校核确定方案，基本上能做到避免带有盲目性的试 验“”。c f d 方法在产品的设计中的应用使得产品的结构设计更趋于合理。 国内已较多地采用c f d 方法来模拟水轮机尾水管、柴油机进气道、发动机冷 却水、离心压气机流道、叶轮内部的流动、泵站进出水流道的流场等，已被大量 工程实践证明是有效和可靠的“。在阀门行业中，c f d 数值模拟计算已经开始应 用如在电站调节阀的设计及优化“3 “”，液压锥阀、大口径环喷式流量调节阀、a t s 调节阀“”1 ，但是未见有对套筒型调节阀流场进行数值模拟的文献报道。 1 3 本文研究的主要内容 本文针对广泛应用的某一类型参数的套筒型调节阀，应用三维建模软件建立 阀门内部流场模型，通过前处理器划分网格，生成计算网格，应用c f d 软件进行 输入并检查网格，选择求解器和求解的方程，确定边界条件，初始化流场，进行 离散求解，可以得到调节阀内部流场的可视化图形，如压力、速度等矢量图，等 值线图、x y 散点图、紊流动能、能量耗散率的分布等。对通过计算不同开度下， 得到调节阀的流量特性，与实验测定的数据进行比较并进行分析，对能量损失严 重的部位进行流道优化，再对优化改进后的流道进行求解流场求解，两者进行比 较，得出最优流道模型，并对流道优化提出建议。 通过数值模拟计算可以得到调节阀的流量特性曲线和阀门流道内三维流动的 详细情况，可以看出c f d 数值模拟用于阀门设计的可行性。c f d 的优势尤其表现 在新产品的研制开发中，它不但能大幅度取代常规实验提供各种流动特性参数， 而且能通过揭示流场三维分布形态为优化设计提供详细依据。此外，对于常规实 验无法处理的复杂现象，如空化、水击等，也可以用c f d 方法进行模拟。c f d 方 法的应用必将大大提高阀门设计的技术含量与产品质量，可缩短阀门设计和加工 周期，节省大量成本，通过对流道的优化，对降低流体流过阀门的能量损失，提 高能源利用率等具有十分重要的意义。 5 调节阀内部流场的数值模拟与优化分析 第2 章调节阀的结构及特性 调节阀( 国外称控制阀c o n t r o lv a l v e ) 心1 ，国际电工委员会i e c 对调节阀的定 义为：“工业过程控制系统中由动力操作的装置形成的终端元件，它包括一个阀体 部件，内部有一个改变过程流体流率的组件，阀体部件又与一个或多个执行机构 相连接。执行机构用来响应控制元件送来的信号。”可见，调节阀是由执行机构和 阀体部件两部分组成，即 调节阀= 执行机构+ 阀体部件 其中，执行机构是调节阀的推动装置，它按信号压力的大小产生相应的推力，使 推杆产生相应的位移，从而带动调节阀的阀芯动作；阀体部件是调节阀的调节部 份，它直接与介质接触，通过执行机构推杆的位移，改变调节阀的节流面积，达 到调节的目的。 调节阀按其能源方式不同主要分为气动调节阀、电动调节阀、液动调节阀三 大类。它们的差别在于所配的执行机构上。前者配的是气动执行机构，中间一种 配的是电动执行机构，后者配的是液动执行机构。它是按照控制信号的方向和大 小，通过改变阀芯行程来改变阀的阻力系数，达到调节流量的目的。 在流体机械中，阀门的特性包括阻力特性和流量特性。阻力特性是指阀门的 阻力系数与阀门开度的关系，流量特性是指通过阀门的流量与其开度的关系。 2 1 调节阀的主要类型 至目前为止，根据不同的使用条件，共产生了十个大类的调节阀，有直通单 座调节阀，直通双座调节阀，套筒阀，角形阀，三通阀，隔膜阀，蝶阀，球阀， 偏心旋转阀，全功能超轻型调节阀等”1 。 下厩以套筒阀为例，介绍调节阀的基本结构。 套筒阀是上世纪六十年代发展起来的新品种，具有七十年代水平。它由套筒 阀塞节流代替单、双座阀的阀芯、阀座节流，其结构如图2 - 1 表示。一个常用的 直通式套筒阀。它是由阀体、套筒、阀芯、阀盖、阀杆及填料等零件组成的套 筒阀也称为笼式阀，是一种特殊结构的调节阀。其阀体与一般直通式单座阀相似， 但阀内有一个圆筒型套筒。套简四周开有不同形状的窗1 3 ，根据流通能力大小的 要求，套筒的窗口可以为多个，四个、两个、或者一个。利用套筒导向，阀芯可 以在套中上下移动。由于这种移动改变了套筒的节流孔面积，形成了各种流量特 性，并实现流量的调节。 它有如下使用特点： 1 阀的稳定性好。由于套筒阀的阀塞设有平衡孔，可以减少介质作用在阀塞上 6 硕士学位论文 的不平衡力，加上足够的阀塞导向，因此不易引起阀芯的振荡。 2 套筒提供的节流窗口有开大窗口和打小孔( 喷射型) 两种，后者有降低噪音， 减小共振的功能。进一步改进，可成为专门的低噪音阀。 3 阀的泄漏大，因为是双密封结构。 4 也因为是双密封结构，故许用压差大。 5 维修方便。套筒通过上阀盖被压紧在阀体上，不像单、双座阀那样，阀座是 通过螺纹与阀体连接的，因此拆装简便。 6 它由阀塞自身导向，加上流路复杂，更容易堵卡。 因此，它同双座阀一样，通常仅用于泄漏要求不严、压差较大的干净介质场 合。 图2 1 直通式套筒调节阔 1 阀体2 套筒3 阀芯4 阀盖5 阀杆6 填料 2 2 调节阀的节流原理与流量系数 调节阀和普通的阀门一样，是一个局部阻力可以改变的节流元件。当流体通 过调节阀时，由于阀芯，阀座所造成的流通面积的局部缩小，形成局部阻力，它 使流体的压力和速度发生变化。流体流过调节阀时产生的能量损失，通常用阀前 后的压差来表示阻力损失的大小。应用实际流体伯努利方程式，可导出流体流过 调节阀的流量公式“1 。 实际流体伯努利方程式为： z 1 + 且+ 盟磊+ 旦+ 盟+ h ， ( 2 1 ) p g 2 9 。p g2 9 7 堡至堡窒墼鎏丝墼鍪篁堡垒耋堡些坌堡 式中：z j ，z 2 为调节阀入、出口端的高度，p j ，p 2 为调节阀入、出1 ：3 端的压力， 一v t ，瓦为调节阀入、出口端截面的平均速度，q ，a ：为调节阀入、出1 ：3 端截面的 动能修正系数。h i 为能量损失 对于不可压缩流体，阀前后管径一致，流速相同，可得： ，。魁( 2 2 ) 。pg 同样式中能量损失乃可以用阀门的阻力系数芎与速度能矿的乘积来表示，即 ”亭丢 汜。， 而平均流速为：矿。垒( 2 4 ) 结合以上( 2 2 ) 、( 2 2 ) 、( 2 4 ) 可得调节阀的流量方程为： q 。舌污( a 刊 旺5 ， 当方程中各参数采用以下单位爿：e m 2 ；p ：g c m 3 ；p j ，p z ，卸：1 0 0 k p a ； q 咖时，可得到心伪舌詹 ( 2 6 ) 令 “s 胂杀。q 括 眩7 ， c 称为流量系数，为了便于不w - - 单位的不同单位之间进行换算，对匕式进行 改写，得到 ，q 区 百、石 ( 2 8 ) 其中n 为单位系数。 在采用国际单位制时，流量系数用k y 表示。k y 的定义为：温度在2 7 8 3 1 3 k 的水在1 0 5 p a 压降下，1 小时内流过的立方米数。 根据单位换算可得： 8 ( 2 9 ) 硕士学位论文 2 3 调节阀的流量特性 2 3 1 调节阀的可调比 在引出调节阀流量特性之前，首先引入一个反映特性的参数一一可调比。”。 1 可调比定义 调节阀可调比是指调节阀能够控制的最大流量“。与最小流量q 。胁之比，可 调比也称可调范围，用r 表示，则r = q m ( 2 1 0 ) 2 理想可调比 在调节阀前后压差保持不变时的可调比，称为理想可调比。其关系式为： r 。q 。一c m ( 2 1 1 ) 也就是说，理想可调比等于c 。( 最大流量系数) 与c 。加( 最小流量系数) 之比。 它反映了调节阀调节能力的大小。从使用上讲，可调比越大越好，但受结构限制， 一般r = 3 0 。 2 3 2 调节阀的流量特性 1 定义 调节阀的流量特性是指介质流过阀门的相对流量与相对开度的关系。数学表 达式为； 老- 唯) ( 2 1 2 ) 式中：l 为相对流量，t i p 调节阀某一开度下的流量与全开流量之比； 蜴。 ， 为相对开度，即调节阀某一开度下的行程与全开时行程之比。 上， 在选用流量调节阀时，最重要的标准之一是它的流量特性。由于多种因素的 影响，改变节流面积，流量改变，导致系统中所有阻力的改变，使调节阀前后压 差改变，调节阀的流量特性分为理想流量特性和工作流量特性。理想流量特性又 称固有流量特性，是调节阀两端压降不变时的流量特性。工作流量特性是在工作 状况下( 压降变化) 调节阀两端压降不变时的流量特性。 通常的流量特性常用的有线性的、等百分比( 对数) 、快开等。这些特性曲线 的比较见图2 2 。 9 调节阀内部流场的数值模拟与优化分析 1 0 0 e o 越 鑫6 0 盏 蓑4 0 _ 2 0 o ， 7 一 一t 懊开 沙 一r | ， 缱性i， r ， | l ， ， ， l，。 么 一， ，r 、荨首分地 一一- 2 04 06 080伸o 曩定行程的百分比 图2 2 调节阀流量特性的比较 2 线性流量特性 线性流量特性是指调节阀的相对流量与相对开度成直线关系，即单位行程变 化引起的流量变化是常数，用数学式表达为： d ( 差) 产( 圭) 一k 式中：k 为常数，即为调节阀的放大系数。 将上式积分，并代入边界条件：1 = 0 时，q _ - q 。i 。， 可舭芒。加( ) 纠 ( 2 1 3 ) l = l 时，q = 锄。， ( 2 1 4 ) 上式表明相对流量与相对开度呈直线关系，在直角坐标系上是一条直线，见 图2 2 。 3 等百分比流量特性 等百分比流量特性，是指单位行程变化引起相对流量变化与该点的相对流量 成正比，即调节阀的放大系数是变化的，它随相对流量的增加而增大。用数学式 表达为： d ( 一q 肌dl 1 _ ) 芒 眩 经过积分，同直线特性的推导过程一样，将上式代入边界条件，得定常数项， 最后得： 生。r ( 纠 q 。 从上式看出，相对开度与相对流量成对数关系， 1 0 ( 2 1 6 ) 故称对数特性。在直角坐标 i i = | 目j = = = ! = = ! 目= # 目z ! = ! = = ! = = = ! = = 自= = = = = = 自| = = = = = = = = ! = = e e = = e = = = = = = = e = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 中，得出一条对数曲线，见图2 2 。从公式可以看出是当开度变化一个单位量时， 流量变化的百分比相同的一种特性。这种形式的控制特性是在开度由1 0 变至 2 0 时流量的变化为1 0 ，而开启度由6 0 变到7 0 时流量的变化同样是1 0 当流量作为对数纵坐标划在半对数坐标纸上是一条直线，故又称等百分比特性。 4 快开流量特性 这种流量特性在开度较小时就有较大的流量，随开度的增大，流量很快就达 到最大；此后再增加开度，流量变化很小，故称快开流量特性，其特性曲线如图 2 2 所示。用数学式表达为： d ( o _ _ q _ 肌al 工) 一q 差) 4 ( 2 1 7 ) 积分后代入边界条件得到：芒一去【1 + ( r 2 _ 1 ) 爿2 ( 2 1 8 ) 快开流量特性又称为平方根流量特性，是流量与控制元件位移的平方根成正 比的一种特性。 5 抛物线流量特性 抛物线流量特性是指单位相对位移的变化所引起的相对流量变化与此点的相 对流量值的平方根成正比关系，用数学式表达为： d ( 芒) d ( 圭) “( 芒) 2 积分后代入边界条件得到：云a 一去【1 + ( 压一1 ) 玎 ( 2 2 0 ) 上式表明相对流量与相对开度之间为抛物线关系，在直角坐标系上为一条抛 物线，介干线性与等百分比流量特性曲线之间。 l l 调节朗内部流场的数值模拟与优化分析 第3 章o f d 理论基础及软件 3 1o f d 理论基础 3 1 1 流体力学的控制方程及离散 流体在流动时必须满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。 1 质量守恒方程( 又称为连续性方程) 微分形式为；望+ 型+ 型+ 堕掣。0 ( 3 1 ) a|ax却 a z 用矢量表示为： 用散度表示为： 望+ d i v ( p v ) ：o o t 望+ v ( p y ) 0 o t 、 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 其中；p 为流体密度，t 为时间，h 、儿w 为速度矢量v 在三个坐标轴上速度 分量。 对于不可压缩流体，流体密度p 为常数，式( 3 1 ) 变为 丝+ 立+ 业。0( 3 4 ) 船砂把 对于定常流动：a _ p p ：0 ，则式( 3 1 ) 变为 o t 巫盟+ 巫盟+ a ( p w ) 。o - ( 3 5 ) 缸 a y a z 2 动量守恒方程 动量守恒方程的实质为牛顿运动第二定律，按照这一定律对于牛顿流体，可 得出在三个坐标轴上的动量守恒方程为： 挈+ d i v ( p u v 似l z g r a d u ) 一罢诚 掣+div(pvv)一div(izgradv)dt一詈+ s ( 3 6 ) 删 了a ( p w ) 协( p w v ) - d i v ( g r a d w ) 一詈+ s 。d f d z 式中：p 为流体微元体上的压力，岛，乳为动量守恒方程的广义源项。 3 能量守恒方程 硕士学位论文 挈砌咖啡咖i 毒删卜 展开式为： a ( p t ) + 螋+ 幽+ a ( p w r ) o t缸 o