（流体力学专业论文）控制蝶阀调节特性的研究.pdf

浙江火学硕士学位论文摘要 摘要 控制阀的流量调节特性研究在流体控制工程中有着十分广泛的应用。普通控 制蝶阀因流量特性差、调节精度不高、调节范围偏低等缺点，只能应用于简单开 关控制。 本文通过在普通蝶阀的基础上安装多孔凹槽配流板，结合阀门工程计算的经 验公式，创新提出了一套加权投影通流面积与阀门通流能力变化规律的配流设计 思想，研究开发了三种不同结构的新型控制蝶阀。论文对不同配流板的蝶阀模型 三维湍流流动进行了大量的数值分析，数值计算采用了r n g - c 一占湍流模式和非 结构化网格的s i m p l e 计算方法，通过对物理模型的数值研究，获得了阀门相对 流量系数( k v s ) 与阀门相对开度( 口) 间的数学关系，即阀门的c f d 流量调节 特性关系 论文专门设计制作了阀门特性试验台，对新型控制蝶阀产品模型进行了实验 研究，获得了阀门的相对流量系数与相对开度间的实验流量调节特性规律。 数值计算和试验研究的对比结果表明，c f d 技术对配流板模型的创新研发 是完全可行的。本文提出的加权投影通流面积与阀门通流能力变化规律的设计方 法所得的新型控制蝶阀具有理想的流量特性。通流加权投影面积与流量系数的变 化规律为控制蝶阀的新模型设计和研究具有指导作用。 本论文成果具有十分重大的工程应用价值。 关键词：控制蝶阀配流板调节特性通流面积数值模拟实验研究 l i 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h es t u d yo nf l u xc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co fc o n t r o lb u t t e r f l yv a l v e p a n k a n g ( f l u i dm e c h a n i c s ) d i r e c t e db ys h e nx i n r o n g a b s t r a c t t h es t u d yo nf l u xc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co fc o n t r o lv a l v ei sw i d e l yu s e di nf l u i d c o n t r o lp r o j e c t s b e c a u s eo fn o n i d e a lf l u xc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c ，l o wc o n t r o lp r e c i s i o n a n dn a r r o wr a n g e ，g e n e r a lb u t t e r f l yv a l v ec a no n l yb ea p p l i e dt oas i m p l es w i t c h c o n t r 0 1 t h i st h e s i sd e s i g n sav a l v ep l a t ew i t hm u l t i - h o l ea n dg r o o v e ，a n di n s t a l l si to na g e n e r a lb u t t e r f l yv a l v e a c c o r d i n gt oe n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o nf o r m u l ao fv a l v e ，w e p r o p o s eas e to fd e s i g ni d e aa b o u tt h er u l eo f f l o wp r o j e c t i o nw e i g h t e da r e aa n df l o w a b i l i t y , t os t u d yt h en e w c o n t r o lb u t t e r f l yv a l v e al o to ft h r e e - d i m e n s i o n a ln u m e r i c a l s i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e do nt h en e wv a l v ew i t hd i f f e r e n tp l a t e s t h e r n g x - 一占t u r b u l e n c em o d e la n ds i m p l es c h e m eb a s e do nu n s t r u c t u r e dg r i d s y s t e mw e r ea d o p t e di nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h r o u g hs i m u l a t i o no ft h em o d e la tt h e d i f f e r e n to p e n i n ga n g l e s ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e l a t i v ef l u xc o e f f i c i e n t ( k v s ) a n dr e l a t i v ev a l v eo p e n i n g ( 0 ) a r eo b t a i n e d ，t h a ti s ，t h ef l u xc o n t r o l r e l a t i o n s h i po fv a l v e i n e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，w es p e c i a l l yd e s i g n at e s t - b e dt o s t u d y c h a r a c t e r i s t i co ft h en e wc o n t r o lb u t t e r f l yv a l v e ，a n dg e tt h ee x p e r i m e n t a lf l u xc o n t r o l c h a r a c t e r i s t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e l a t i v ef l u xc o e f f i c i e n ta n dr e l a t i v ev a l v eo p e n i n g b yc o n t r a s t i n gt h er e s u l t so fn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s ，w ec a l l f i n dt h a t ：t h em e t h o do fc f d t e c h n o l o g yu s e di ni n v e s t i g a t i o no nv a l v ep l a t em o d e li s e n t i r e l yf e a s i b l e ，a n dt h en e wc o n t r o lb u t t e r f l yv a l v e h a sag o o dl i n e a rf l u x c h a r a c t e r i s t i c t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l o wp r o j e c t i o nw e i g h t e da r e aa n df l u x c o e f f i c i e n tp l a y sag u i d i n gr o l ei nn e wm o d e ld e s i g na n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n t h er e s u l t so f t h i ss t u d ya r eo f g r e a tv a l u ei np r o j e c t sa p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：c o n t r o l b u t t e r f l yv a l v e , v a l v ep l a t e , c o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c , f l o wa r e a , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙塑太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者鲐 徘 鳓期： 伽多年岁月 厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙江太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 导师始彩彩 签字日期：妒易年岁月日 签字日期：反夕谚年f 月易7 日 浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文是在我的导师沈新荣副教授的悉心指导下完成的，在这里谨向沈老师 致以忠心的感谢和崇高的敬意。两年来，沈老师严谨的治学作风和实事求是的科 研精神，和蔼可亲的待人态度以及认真细心、不厌其烦的教学形象，都给我留下 了深刻的印象。沈老师以其良好的精神风貌和深厚的学术知识为我们树立了榜 样；在科研中，沈老师的乐观和严谨深深地感染了我们，必将使我受益终身。 在研究生学 - j 的过程中，林建忠教授，邵雪明教授，王灿星副教授，陈丽华 副教授和流体工程研究所的其他老师，他们在课程学 - - j 和科研工作方面给予了我 很多启迪和帮助在此对他们表示忠心的感谢! 在这里我也要感谢课题组的师兄，师弟和师妹们，尤其是麻剑锋和张明侃师 兄在生活和学习上都给予了我很大的帮助，让我感到浓浓的温情，还有朱文斌、 黎焱和章威军师兄等等，所有的这些是我的求学中充满了快乐和充实。 最后我要感谢我的家人，正是由于他们在我身后的默默支持和理解，我的学 业才能完成。他们是我不断前进和奋斗的动力源泉。 浙江大学硕_ 上学位论文 绪论 1 绪论 1 1 控制阀发展概况 控制阀( c o n t r o lv a l v e ) 是用于调节流场的流动状况( 流量和压力) ，亦称调 节阀。它是过程控制工业里最常用的终端控制元件，控制阀调节流动的流体，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。它由执行机构和调节机构组成，根据其不同的组合可分为 各种类型的控制阀。 控制阀的发展与工业生产过程的发展密切相关，而且是同步进行的。最早的 控制阀是1 8 8 0 年由费希尔制造的泵调节器n 1 ，这是一种带重锤的自力式控制阀。 当阀后压力增大时，在重锤作用下，使控制阀开度减小。从而达到稳定压力的控 制效果。随后控制阀经历了以阀体形状为球形的球形阀( b a l lv a l v e ) 、以v 形 缺口( v - n o t c h ) 的单座( s i n g l e p o r t ) 和双座( d o u b l e p o r t e d ) 控制阀( g l o b ev a l v e ) 、 角形控制阀( a n g l ev a l v e ) 、隔膜控制阀( b a r r i e rd i a p h r a g mv a l v e ) 、蝶阀( b u t t e r f l y v a l v e ) 、三通控制阀( t h r e e w a yv a l v e ) 、套筒控制阀( c a g ev a l v e ) 、偏心旋转阀 ( e c c e n t r i cv a l v e ) 的发展过程。近些年来，随着计算机控制装置广泛应用，相继 出现各种智能电气阀门定位器和带智能阀门定位器的现场总线控制阀，并得到应 用。工业生产过程的大型化和精细化，对控制阎的要求也越来越高。 我国控制阎工业生产的起步较晚。9 0 年代开始，我国的控制阀工业也在引 进和消化国外的先进技术后开始飞速发展，使我国控制阀工业水平大大提高，缩 短了与国外的差距。 控制阀在工业生产过程中有着十分重要的作用，尤其在一个控制系统中，控 制的性能和品质都要通过控制阀来实现。它本身是一种节流元件，在管路流体输 送过程中，改变通流面积和介质流动方向，具有截止、调节、节流、止回、分流 或溢流、卸压等功能。 随着控制阀工业的迅速发展以及广泛应用，在实际应用中也存在一些问题， 例如控制阀的品种多、规格多、参数多使得选型、安装应用、维护管理的不方便。 其次可靠性差，阎体笨重，流量特性与工业工程被控制对象特性不匹配。控制阀 还是个耗能设备，在能源紧缺的现在如何降低耗能采用节能技术成为急需解决的 问题。针对控制阀在应用中出现的问题和不足，当前其主要发展方向为智能化、 浙江大学硕士学位论文 绪论 标准化、精小化、旋转化、安全化以及降低能耗，同时结合一些控制装置，使工 业生产过程控制更加完善、精度更高，为我国现代化建设发挥更重要的作用。 1 2 控制蝶阀工程应用 控制阀种类繁多，按目前最常用的分类方法一般分为【2 l ：闸阀、截止阀、节 流阀、减压阀、球阀、蝶阀、安全阎、止回阀和底阀、隔膜阀、排污阀、疏水 阀、柱塞阀等。 蝶阀又称翻板阀，是用圆形蝶板作启闭件，并随阀杆转动来开启、关闭和调 节流体通道的一种阀门，它由阀体、阀板、阀轴和密封填料、轴承等部分组成， 是近年来发展最快的阀门品种之一在工业发达国家，蝶阀的使用非常广泛，并 向着高温、高压、大口径、高密封性、长寿命、良好的调节特性以及一阎多功能 的方向发展，可靠性和其他性能指标均已达到较高的水平，并逐渐取代了截止阀、 闸阀和球阀。随着蝶阀技术的进步，相信在不久的将来蝶阀在大中型口径、中低 压力的使用领域里成为主导的阀门形式。 蝶阀门的分类方法很多，如按工作温度分为： 1 、高温蝶阀t 4 5 0 c 的蝶阀。 2 、中温蝶阀1 2 0 c t 4 5 0 c 的蝶阀。 3 ，常温蝶阀- 4 0 c t 1 2 0 c 的蝶阀。 4 、低温蝶阀- 1 0 0 c t 一4 0 的蝶阀。 5 、低温蝶阀t - 1 0 0 c 的蝶阀。 蝶阀发展至今，其应用已十分广泛，具有一定的优点： 1 、结构简单、体积小、重量轻、材料耗用省，安装尺寸小。 2 、具有良好的流体控制特性和关闭密封性能。 3 、在低压下，密封特性好 4 、阎板的流线形设计，改善流路阻力分配。 5 、良好的流通能力，可调比大，并且流路简单，流阻小。 蝶阀存在的缺点如下： 1 、流量调节特性混合 2 、流量调节范围小，在小开度或大开度下运行不稳定。 3 、一般地使用压力和工作温度范围小，密封性较差。 2 浙江大学硕士学位论文绪论 控制蝶阀的结构长度和总体高度较小，开启和关闭速度快，适合于制作大口 径的阀门。 在下列工况条件下选用蝶阀较为合适： 1 、要求节流、调节控制流量。 2 、泥浆介质及含固体颗粒介质。 3 、要求阀门结构长度短的场合。 4 、要求启闭速度快的场合。 5 、压差较小的场合。 1 3c f d 现状 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 ) 是通过计算机数 值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分 析，如欧拉方程、n s 方程【3 5 j 等。c f d 是流体力学理论研究与应用研究的一个 分支，可以广泛应用于流体流动、传热、燃烧、化学反应、多相流等的预测及工 程分析。如今，c f d 已发展成为研究流体力学第三种研究方法，促进了实验研 究和理论分析方法的发展，很好的将两者结合起来，为简化流体模型的建立提供 了更多的依据，并使之完善。 目前c f d 已经成功地应用于数值模拟非定常多尺度的复杂流场，研究流动 的失稳、拟序结构的形成及发展规律、湍流流动等l + - i i 】。 计算流体力学采用独有的数值模拟的研究方法来研究流体运动的物理特性。 数值模拟通常包括如下步骤： 1 、建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。这是数值模拟的出发点， 流体的基本控制方程通常包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以 及这些方程相应的定解条件。 2 、寻求高效率、高准确度的计算方法，即建立针对控制方程的数值离散化 方法，如有限差分法、有限元法、有限体积法等。可以说这是c f d 的核心。 3 、编制程序和进行计算。包括计算网格划分、初始条件和边界条件的输入、 控制参数的设定等。 4 、显示计算结果和分析。计算结果一般通过图表等方式显示，这对检查和 浙江大学硕士学位论文绪论 判断分析质量和结果有重要参考意义 数值计算与理论分析、实验研究相互联系、相互促进，但不能相互替代，在 实际的研究工作中，需要注意三者有机的结合，争取做到取长补短。 为方便用户使用c f d 软件处理不同类型的工程问题，一般的c f d 商用软件 往往将复杂的c f d 过程集成，通过一定的接口，让用户快速地输入问题的有关 参数。所有的商用c f d 软件均包括三个基本环节1 1 2 】：前处理、求解和后处理， 与之对应的程序模块常简称前处理器、求解器、后处理器。 c f d 方法在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋结构工程、 工业制造等领域中应用十分广泛。 典型的c f d 应用场合包括： 1 、水轮机、风机和泵、阀门等流体机械内部流动规律研究； 2 、飞机和航天飞机等飞行器的设计； 3 、汽车流线外型对性能的影响； 4 、洪水波及河口潮流计算； 5 、风载荷对高层建筑物稳定性及结构性能的影响； 6 、温室及室内的空气流动及环境分析； 7 、电子元器件的冷却分析； 8 、换热器性能分析及换热器片形状的选取； 9 、河流中污染物的扩散； c f d 不仅作为一个研究工具，而且还可以作为一种设计工具，在控制阎发 展的今天，c f d 在其设计研究过程中发挥着重要的作用。 流经控制阀的介质一般为流体，而c f d 的研究对象就是流体本身，因此通过 c f d 的方法可以对控制阀流场的流动情况进行分析和模拟，形象地再现阀体四 周的流动情景，通过c f d 软件的结果分析和图形显示，可以得出各种计算结果， 如流场的压力分布、速度分布、温度的变化等等，有助于之后设计的改进和分析。 对于这些问题的处理，过去主要借助于基本的理论分析和大量的物理模型实验， 而现在就能够采用c f d 的方式加以分析和解决，c f d 技术现已发展到完全可以 分析三维粘性湍流及旋涡运动等复杂问题。 4 浙江大学硕上学位论文绪论 1 4 论文的研究目标、内容及意义 普通控制蝶阀是一种简单的开关形式挡板阀，一般具有快开流量调节特性或 者混合流量特性，在水管路系统中使用较多【1 引考虑到快开流量调节特性在工 程实际应用中的局限性，以及调节精度和可调比等问题，因此，本文基于传统的 控制蝶阀，在其蝶板上安装不同形状的配流板进行研究开发和设计。 本论文的目标是研究安装有配流板的新型控制蝶阀的调节特性。通过对不同 模型的研究，设计开发出具有良好流量调节特性的控制蝶阀。 具体的目标要点是： 1 、良好的流量调节特性。控制阀的流量特性有等百分比、线性、快开和抛 物线等流量调节特性1 1 4 l ，本论文研究的控制蝶阀要求最终具有理想的流 量调节特性，满足实际的工程应用需要。 2 、较高的调节精度。目标设计开发的蝶阀流量调节精度要高，流量特性曲 线符合较好的线性度，从而可以提高了整个控制系统的控制精度。 3 、较高的可调比【1 5 】，即提高控制蝶阀的调节范围。在流量调节过程中，需 要在一个大的流量值范围内保持精密调节或必要的调节能力1 1 6 】，也就是 说，在工作状态下，可调节的最大流量和最小流量之比较高可有效改善 工业过程控制系统的控制品质。因此，一个控制蝶阀具有较高的可调比 是完全有必要的。 4 、合理的压力损失。原始蝶阀的流阻较小，本身有特大的通流能力。但安 装配流板的控制蝶阀要求结构简单化、配流板体积不能太大，保持合理 的有效通流面积，否则流阻过大，造成通流能力过低，产生较大的压损， 增加了能源的消耗。 5 、通流面积【1 7 】与通流能力的变化规律。流量的调节是通过改变通流面积来 实现的，而本文所研究的控制蝶阀其有效通流面积无法给出一个合理值 来表示，因此，论文的目标是要寻求一个能有效替代缩流区域并具有一 定物理意义的通流面积，然后研究它和通流能力的变化规律，为模型的 设计开发提供有效的依据。 5 浙江人学硕上学位论文 绪论 根据以上的研究目标及要求，本论文的研究内容主要包括如下几个部分组 成： 1 、配流板形状的创新设计。根据有效通流投影面积的变化规律以及阀门设 计计算的经验公式，创新设计出一定几何形状和尺寸的配流板，使新型 控制蝶阀有可能具有良好流量调节特性。 2 、新型控制蝶阀的数值分析。对安装配流板的控制蝶阀进行大量的数值模 拟和计算。通过采用r n g k 一占湍流模式 j s - 9 】和非结构化网格的 s i m p l e 计算方法，对阀门物理模型在不同阀芯开度下的数值模拟，获 得阀门相对流量系数( k 娲) 与阀门相对开度( 0 ) 间的数学关系，即 流量调节特性关系。 3 、控制蝶阀模型的优化设计。对数值计算结果进行分析通过分析和优化设 计，同时研究控制蝶阀具有流量调节特性，调节精度、可调比等。若不 具有调节特性或控制精度太差，则根据经验设计计算公式和数值模拟的 经验，对配流板的形状或尺寸进行改进，并再次进行数值分析。 4 、实验研究与数值结果的对比分析。通过数值分析选出具有较好流量调节 特性的控制蝶阀模型，并加工成型，安装于一套配置高精度流量计和压 差传感器的阀门特性实验装置上并进行实验研究，得到控制蝶阀的实验 流量系数与相对开度间的调节特性实验值，对比并验证模拟结果。 本论文所研究的控制蝶阀具有十分广泛的应用和工程意义： 首先，控制阀是节流装置，也属于动部件，对流量的能否精确控制或是否具 有较好的调节特性是工程应用上一个关键的问题。本文所设计的控制蝶阀具有良 好的调节特性，调节精度高，能对流量起到很好的调节作用。 其次，新型控制蝶阀具有良好的流量调节特性与配流板的自适应性，尤其是 不同的配流板具有完全不同的流量调节特性，配流板的加工与安装非常方便，从 而有效解决控制阀的流量调节特性与工业过程被控对象特性不匹配问题。 再者，在能源愈见紧缺的当前，控制阀作为一个耗能设备更应注意节能，降 低能耗。同时控制蝶阀相比于现有的许多直行程控制阀具有体积小、重量轻、经 济性好的优点，方便控制阀的运输、安装和维护，提高运行效率。 6 浙江大学硕学位论文 绪论 1 5 论文的研究方法 本论文采用三维数值模拟与实验研究相结合的研究方法。研究过程基本包括 控制蝶阀模型的设计、模型的优化、数值模拟以及实验研究等。尤其在模型的设 计优化上必须结合数值计算的结果，对比分析，反复进行研究 1 、模型设计：根据阀门流量控制方程和设计经验公式，结合有效通流投影 面积的变化规律来设计蝶阀的配流模型。 2 、模型的优化：根据经验设计计算公式和数值模拟的经验，对配流板的形 状或尺寸进行改进，并再次进行数值分析。 3 、 数值计算：采用r n g t c 一占三维湍流模型和非结构化网格s i m p l e 的方 法，对模型进行大量的三维数值计算与优化分析。 4 、 实验研究：搭建专门的实验台，配以各种高精度的测量仪器，对阀门模 型进行流量调节特性的实验研究。 1 6 论文的主要创新点 本论文采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的研究方法，创新设计出 具有理想流量特性的控制蝶阀，并发现了通流面积的变化规律，其主要创新点有： 1 、创新提出了一套加权投影通流面积与通流能力变化规律的设计计算思 想，对控制蝶阀配流板的形状、结构和尺寸进行了设计和优化分析。 2 、对安装不同配流板的控制蝶阎新模型在不同开度下进行了大量的三维数 值模拟和优化分析。 3 、设计搭建了配有各种高精度测量仪器的管网水系统实验台，对控制蝶阀 产品模型进行了大量的实验研究。 4 、对控制蝶阀进行了创新应用，得到了一种基于嵌入式软件的新一代智能 流体控制阀门概念，其中包括流量平衡阀、压差平衡阀和动态平衡电动 调节阀等，并进行了实验研究，取得了阶段性的成果。 结果表明：本论文所设计的新型控制蝶阀具有良好的线性流量调节特性，且 调节精度高，具有较大的可调比和流通能力。 该产品的工程应用前景十分乐观。 7 浙江大学硕士学位论文 控制蝶阀的调节特性 2 控制蝶阀的调节特性 2 1 控制阀的调节特性 控制阎是对流量进行调节的装置。 流量可以定义为单位时间通过导管输送的流体的质量或体积，即流率。而调 节的流量就是按照某一规定的规律随时间变化的流量。本论文所研究的调节特性 是指控制阀的流量调节特性，即流体通过控制阀的相对流量与阀门相对开度之间 的关系，可以表示为【2 2 】： ( 2 1 1 ) x 、x o 。：阀门开度、阀门最大开度 q ，绋。：阀门流量、阀门最大流量 控制阀的特性一般包括结构特性和流量特性： 结构特性是阀芯的位移与流体流过的截面积之间 的关系，它不考虑阀两端的压差，只与阀芯的形状、 大小等几何因子有关。流量调节特性是与控制阀的 两端压差有关的，当两端压差固定时获得阀门的固 有流量特性，当实际压差变化时获得阀门的工作流 量特性 控制阀出厂时所提供的流量特性指固有流量 特性。 图2 1 1 控制阀流量调节特性 1 一线性流量特性； 2 一等百分比流量特性； 3 一抛物线流量特性： 4 一理想快开流量特性； 5 一实际快开流量特性； 6 一双曲线流量特性： 7 一修正抛物线流量特性 固有流量调节特性包括线性特性、等百分比特性、抛物线特性、双曲线特性、 快开特性和平方根特性等不同的类型，如图2 1 1 所示： 下面介绍几种常用的流量调节特性： ( 1 ) 线性流量调节特性：控制阀相对流量与相对行程之间成直线关系。式子 表示为： 旦：盟尘+ !(214-z 2 ) 一= 一 i上， rk 戤r 8 浙江大学硕士学位论文控制蝶阀的调节特性 式中r ：控制阎的固有司调比，即控制阎所能控制的最大流量和最小流量之比。 尺：望盘( 2 1 3 ) 蔓幺i 。 线性流量调节特性控制阀无论在哪个开度下，如果开度相对变化量一定，则 流量相对变化量也一定 ( 2 ) 等百分比流量调节特性：控制阀相对行程与相对流量的对数成比例关 系，也称为对数流量调节特性，即在半对数坐标上，流量调节特性呈直线，在直 线坐标上呈对数曲线。式子表示为： g = 砉= r 咕l - i ) = r n ( 2 1 4 ) 由式可见，当相对行程变化量相同时，流量也变化相同的百分比。 ( 3 ) 抛物线流量调节特性：控制阀的增益与流量的开方成正比，大体具有线 性和等百分比特性的中间特性。 其函数关系为： g = 差2 去【l + ( 压瑚2 ( 2 1 5 ) 抛物线流量调节特性控制阀的增益： 耻鼍茅厄 ( 4 ) 快开流量调节特性：控制阀的增益与流量的倒数成正比，流量越大增益 越小函数关系为： g = 苦= 去历 眨， 快开流量调节特性控制阀的增益： 耻当西1 上述几种调节特性，就其调节性能上讲，以等百分比特性为最优，其调节稳 定，调节性能好。而抛物线特性又比线性特性的调节性能好在具体的应用过程 中，可根据使用场合的要求不同，挑选其中任何一种合适的流量特性。 9 控制”目d 口特n 表211 为控制阀不同流量调节特性的比较p 表211 控制阀各个流量调节特性比较 流奄调节 性质特点 特性 相对流量与相对开度呈直 小开度对流量变化大，而大开度时流量变化 线关系，即单位相对行程变 小 线性特性 小负荷时调节性能过于是敏而产生振荡，太 化引起的相对流量变化是 十常数 负荷时调节迟缓而不及时 适应能力较差 等百分比 单位相对行程的变化引起 单位行程变化引起流量变化的百分率是相等的 的相对琉量变化与此点的 在全行程范田内工作都较平稳，尤其在大开度 特性 时，放大倍数也大。工作里为灵敏有赦 相对流量成e 比 应用广泛，适应性强 特性介干直线特性和等百特性夼干直线特性与等百分比特性之间 抛物线特 分比特性之阿，使用上常以调节性能较理想但阀瓣加工较困难 等百分比特性代之 在闭行程较小时，流量就有 在小开度时流量已很大，随着行程的增大，流 陡开特眭 量很快达到最大 比较大的增加，很快达最大 一般用于鼠位调节和程序控制 2 2 蝶阀的原理及调节特性介绍 图22l 原始普通蝶阎 原始的普通控制蝶阎( 如左图所示) 是一 种简单的，且关闭不严的挡板闽，用圆形蝶板 作启闭件并随转轴转动来开启、关闭和调节流 体通道，通常在水管路系统中作为流量调节闽 和阻尼闻使用。蝶阀的蝶板安装于管道的直径 方向。在蝶闽闻体圆柱形通道内，圆盘形蝶板 绕着轴线蕨转，旋转角度为o 9 0 。之问，旋 转到9 0 。时，阀门为垒开状态【2 “2 “。 控制蝶阀的结构简单，外形尺寸小，重量 轻，开启和关闭速度快，且具有混合的流量控 制特性在完全开启时，具有鞍小的流阻，当 开启在大约15 至7 0 。之间时，又能进行十分灵敏的流量控制。蝶阀的应用非常 普遍，其结构原理最适合制造外形较大的阀 圳。 l o 浙江大学硕上学位论文控制蝶阀的调节特性 控制蝶阀属于旋转阎，它的流量调节特性与阀门的类型、蝶板的形状等有关， 不同的蝶板会有不同的流量调节特性，选用时应该注意。图2 2 2 给出了部分旋 转阎的流量调节特性。 蜒 嚣 霞 娶 图2 2 2 部分旋转阀的流量特性 一般的控制蝶阀的流量调节特性为混合特性，而且并非在全程都具有流量调 节的能力。原始的普通蝶阀相对开度在0 1 5 至0 6 0 之间具有良好的流量调节能 力，超过范围则运行会不稳定【2 7 】。这就给工业过程控制中带来了相当的不便。 原始蝶阀的混合特性表现为： 1 相对开度在0 至0 3 之间近似为等百分比流量调节特性。一般来说，大 口径的蝶阀在较小的开度( 约0 1 以下) 变化时流量近似为零，这是因 为蝶板较厚，该开度范围内蝶板还未脱离阀座密封圈。随着开度增大， 蝶板脱离了密封圈，流量相继上升而小口径蝶阀在较小的开度时有一 定的流量，其特性近似为等百分比特性。 2 相对开度在0 3 至0 7 之间近似为快开流量调节特性。在此范围内蝶阀 具有一定的调节功能，流量可迅速增大到接近最大流量。 3 相对开度在0 7 至1 0 之间已无任何流量调节功能，流量基本保持为最 大流量状态。 浙江大学硕上学位论文控制蝶阀的调节特性 控制蝶阀的这种混合流量调节特性使得它在需要精确调节流量或在全程范 围内的流量调节等工况场合下具有相当的局限性，并且控制精度不高，直接影响 了工业过程的控制品质，可以说控制阀的流量特性决定着调节品质和特性 2 8 j 。 因此，本论文就基于普通控制蝶阀的基础上进行创新改进，使其在流量调节 过程中，在一个较大的流量值范围内保持精密调节，改善蝶阀的流量调节特性， 更好更广泛地应用于工程实际中。 2 3 控制蝶阀调节特性的数值分析 2 3 1 湍流模型的选择 在自然界和工程实际中，层流只不过是流体运动中较简单而又欠普遍性的一 种运动状态，绝大多数流体运动是以湍流形式存在的。目前大多数人对湍流的认 识是：湍流场是由各种大小不一、涡量不同的涡旋叠加而成的，其中最大的涡尺 度与流动的环境密切相关，最小的涡尺度则由粘性确定【2 9 】。流体在运动过程中， 涡旋不断破碎、合并，流体质点轨迹不断变化，在某些情况下，流场完全随机运 动；在另外一些情况下，流场随机运动和拟序运动并存。 湍流与国防建设和国民经济中的航空、造船、能源、环境保护、气象、化工、 水利、医学、等学科密切相关。掌握湍流的运动规律，对其进行有效的控制和合 理的应用，对基础研究和实际应用将会有重大的意义。但是湍流运动是极其复杂 的，虽然人们对湍流的认识在不断的加强深化，理解也渐渐地全面，目前仍然有 很多问题没有搞清楚，湍流仍旧是国际上研究的重点和热点。 湍流现象的复杂性造成至今还没有一种方法能够全面、准确地对所有流动问 题中的湍流现象进行模拟。因此，在涉及湍流的计算中，都要对湍流模型的模拟 能力以及计算所需系统资源等进行综合考虑后，再选择合适的湍流模型进行模 拟。一般常用的湍流模拟方法包括s p a l a r t a l l m a r a s 模型、s t a n d a r d ( 标准) k s 、 r n g ( 重整化群) k g - 模型、r e a l i z a b l e ( 现实) k 一占模型、v 2 一厂模型、r s m ( r e y n o l d ss t r e s sm o d e l ，雷诺应力模型) 模型和l e s ( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ， 大涡模拟) 方法。下面简单介绍一下湍流模式计算方法的特点、使用限制等，以 便在数值模拟计算中正确地选择湍流计算方法。 1 2 浙江人学硕：l ：学位论文控制蝶阀的调节特性 1 雷诺平均与大涡模拟的对比：雷诺平均n s 方程是流场平均变量的控制 方程，其相关的模拟理论被称为湍流模式理论。湍流模式理论假定湍流 中的流场变量由一个时均量和一个脉动量组成，以此观点处理n s 方程 可以得出雷诺平均n s 方程( 简称r n s 方程) 。大涡模拟( l e s ) 方法 是通过滤波处理计算湍流的，其主要思想是大涡结构( 又称拟序结构) 受流场影响较大，小涡则可以认为是各向同性的，因而可以将大涡计算 与小涡计算分开处理，并用统一的模型计算小涡。这种方法比直接求解 n s 方程的d n s 方程效率更高，消耗系统资源更少，但却比湍流模式方 法更精确。再者，湍流模式理论无法准确模拟大涡结构，因此在需要模 拟大涡结构时，只能采用l e s 方法。由于大涡模拟需要使用高精度的网 格，对计算机资源的要求高，在工程计算中有所限制。 2 s p a l a r t - a l l m a r a s 模型：最早被用于有壁面限制情况的流动计算中，尤其 存在逆压梯度的流动区域内，对边界层的计算效果较好，常被用于流动 分离区附近以及涡轮机械的计算。在湍流对流场影响不大，同时网格较 粗糙时，可以选用这个模型，但稳定性比较差。 3 标准七一占模型：标准七一占模型具有的稳定性、经济性和比较高的计算精 度，是应用范围最广的一个模型。标准七一s 模型通过求解湍流动能( 后) 方程和湍流耗散率( s ) 方程，得到k 和s 的解，然后再用七和s 的值计 算湍流粘度，最终通过b o u s s i n e s q 假设得到雷诺应力的解。标准七一占模 型在旋流( s w i r lf l o w ) 等非均匀湍流问题的计算中存在较大误差。 4 r n g j c g 模型：将雷诺应力( r e y n o l d ss t r e s s ) 项和耗散生成项系数扩展， 引入特征参数r = s 而形成的一个湍流模式，数学形式如下【灿3 5 】： 善+ 掣= 讣+ 针枷 亿3 d 等+ 掣= 讣+ 针q b 扛譬础亿3 浙江人学硕上学位论文控制蝶阀的调节特性 最= 2 u 西哥 哥= 牾+ 詈) 只k 一湍动能k 的产生项 瓦一应变率张量 r = 1 + 弓巧3 k 虿= ( 2 邑蚪2 冬 r 为占方程中的附加源项 矿一湍动时间与应变尺度的比值 = 4 3 7 7 ，= 0 0 1 5 巴= o 0 8 4 5 ，c l = 1 4 2 c 2 = 1 6 8 ，吒= 0 7 1 9 4 吒= 0 7 1 9 4 r n g x 一占模型在形式上类似于标准k 一占模型，但是在工程实际应用中 计算功能比标准k 一占模型更加准确。相比于标准k 一占模型，主要有以下几 点改进【3 6 】： ( 1 ) 在占方程中增加了一个附加项，使得在计算梯度比较大的流场是更 加精确。 ( 2 ) 在模型中考虑了旋转效应，因此在计算旋转问题中准确度也有所提 高。 ( 3 ) 模型中包含了计算湍流p l a n d t l 数的解析公式。 ( 4 ) 标准k g 模型是一个高雷诺数的模型，而r n g a 一模型在对近壁 区进行适当处理后可以计算低雷诺数效应。 5 r e a l i z a b l e k 一占模型：与标准k 一占模型的主要区别是：r e a l i z a b l e k s 模 型采用了新的湍流粘度公式；e 方程是从涡量扰动量均方根的精确输运 方程推导出来的；r e a l i z a b l e k 一模型满足对雷诺应力的约束条件，在计 算中可以更精确地模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋转流计算、 带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合 真实情况。在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中的研究标明， 1 4 浙江大学硕士学位论文控制蝶阀的调节特性 r e a l i z a b l e k 一占模型是所有k 一占模型中表现最出色的湍流模型。 6 v 2 一厂模型：，2 一厂模型类似于k s 模型。突出特点是用速度尺度v 2 代 替湍流动能k 计算湍流粘度。速度尺度v 2 代表速度的脉动量，因此可以 更准确地模拟湍流变量在壁面附近的耗散过程，这点是用湍动能k 进行 计算时无法做到的。 7 雷诺应力模型：从理论上说比湍流模式理论要精确得多。雷诺应力模型 直接求解雷诺平均n s 方程中的雷诺应力项，同时求解耗散率方程。实 际上，雷诺应力模型的精度受限于模型的封闭形式，因此雷诺应力模型 在实际应用中并没有在所有的流动问题中都体现出其优势。只有在雷诺 应力明显具有各向异性的特点时才必须使用雷诺应力模型。 本论文采用r n g t c 一占三维湍流模型。它能更好更精确地描述计算管道流动 区域，r n g t c 一模型在占方程中增加了一个附加项，适合计算高梯度的流场。 而本文所研究的控制蝶阀在计算其管道流动区域时存在着梯度比较大的流场，特 别是流经阀体的区域尤其复杂，因此选择r n g x s 湍流模型来计算流场能有效 的解决这些问题，研究结果表明此方法是有效的、可行的。 2 3 2 数值求解 数值求解的基本思想是：把原来在空间上与时间坐标上中连续的物理量的场 ( 如速度场，温度场，浓度场等) 用一系列有限个离散点( 称为节点，n o d e ) 上 的值的集合来代替，通过一定的原则建立起这些离散点上变量值之间关系的代数 方程( 称为离散方程，d i s c r e t i z a t i o ne q u a t i o n ) ，求解所建立起来的代数方程以获 得所求解变量的近似值。图2 3 1 表示数值求解的基本过程。 在流动计算中应用比较广泛的包括有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ， f d m ) 、有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 、有限分析法( f i n i t ea n a l y t i c m e t h o d ，f a m ) 和有限容积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 。这些常用的数值 方法主要区别在于区域的离散方式、方程的离散方式、及代数方程求解的方法这 三个环节上。综合考虑来说，在实施的简易、发展的成熟以及应用的广泛等方面 上，有限容积法( f v m ) 有着相当的优势。同时有限容积法导出的离散方程可 以保证具有守恒特性，且离散方程的系数物理意义明确，是目前流动计算中应用 1 5 浙江大学硕士学位论文控制蝶阀的调节特性 最广的一种方法。本文就是采用有限容积法的计算方法来求解的。 线 性 问 题 图2 3 1 数值求解基本过程 应用控制容积积分法导出离散方程的主要步骤包括以下几点【3 7 l ： 1 、将守恒型的控制方程在任一控制容积及时间间隔内对空间与时间作积 分。 2 、选定未知函数及其导数对时间及空间的局部分布曲线，即型线，也就是 如何从相邻节点的函数值来确定控制容积界面上被求函数的插值方式。 1 6 浙江大学硕士学位论文控制蝶阀的调节特性 3 、对各项选定的型线作出积分，并整理成关于节点上未知值的代数方程。 求解不可压缩流场压力耦合方程的半隐式数值离散方法即为s i m p l e ( s e m i - i m p l i c i tm e t h o df o rp r e s s u r el i n k e de q u a t i o n s ) 方法它以控制容积法为 基础，并采用交错网络下的压力修正思想，成功地解决了计算流体力学中压力场 处理的问题，并且解离散方程时采用t d m a 算法和块修正技术，大大加快了迭 代计算速度，在合适的松驰因子下收敛速度快，计算结果物理上比较合理，能保 证精确的守恒性。其基本计算步骤如下【3 8 】： 1 、假定一个速度分布，记为甜o ，v o ，以此计算动量离散方程中的系数及常 数项； 2 、假定一个压力场p ； 3 、依次求解两个动量方程，得”+ ，； 4 、求解压力修正值方程，得p ； 5 、根据p 改进速度值； 6 、利用改进后得速度场求解那些通过源项物性等与速度场耦合得变量， 如果并不影响流场，则应在速度场收敛后再求解； 7 、利用改进后得速度场重新计算动量离散方程的系数，