（机械电子工程专业论文）文丘利气流控制阀流场三维可视化数值仿真的研究.pdf

武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 阀门作为管路流量控制过程中重要设备，其精确特性日益受到重视。阀门传统的试验 研究方法只能获得阀门的宏观外部特性，并且周期长，成本高，不能获得阀门内部的微观 流场结构和精确特性。随着c f d 理论及c f d 模拟软件的发展，c f d 可视化模拟越来越受 到学术和工业界的青睐。本文对基于f l u e n t 的文丘利气流控制阀的三维可视化模拟仿真 进行了研究。 本文对文丘利气流控制阀的工业用途和有关调节阀门的c f d 研究现状及相关理论研 究进展进行了阐述；对文丘利气流控制阀门的流阻及流量特性进行了分析；讨论了与文丘 利阀流动相关的c f d 理论及控制方程；最后针对文丘利气流控制阀的典型工况进行了c f d 可视化模拟仿真。本文具体工作如下： 1 ) 为了保证本文c f d 计算的科学性，在对文丘利气流控制阀进行流场计算模拟之前， 首先对现有的中心对称蝶阀进行了模拟研究；将蝶阀的流场分布及动力矩特性的研究结 果，与相关理论及文献上的结果进行对比，结果是相当吻合的，从而验证了非结构混合网 格技术，标准i r q 湍流模式和非结构网格s i m p l e 算法对这一类气流控制阀门流场计算的 合理性。 2 ) 以压力入口和压力出口为边界条件，通过对三种不同的入口压力情况，以及阀板 处于1 0 0 一8 0 0 的不同开度状态，分别进行了建模和网格划分：通过大量的仿真计算得出了 不同入口压力条件及阀板分别处于不同开度时的速度及压力云图，速度矢量图和流线图； 很好地反映出了阀板钝体绕流作用下，阀板前后流场变化情况及随着阀门开启过程中漩涡 的产生及消失过程。 3 ) 对三种压力入口条件及处于不同开度时阀板所受到的气动力矩进行了计算，得出 了阀板所受的气动合力矩随阀板开度变化的曲线图；反映出了该阀门的气动力矩呈现出交 变弹性负载规律。 最后对本文研究内容进行了总结，并对本课题的进一步研究进行了展望。 关键词：文丘利气流控制阀；可视化仿真；压力分布；气动力矩；c f d 第工i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t v 甜v ei sai m p o r t a = n te q u i p m e n ti np i p e l i n en o wc o n 仃o lp r o c e s s ，a n d 伊e a ta ：t t e n t i o ni s i i l c r e a s i n g l yp a i dt oi t sa c c u r a t ec h 龇a c t e r i s t i c s t h e 缸a d i t i o n a le x p e r i m e 删s t u d yj u s tc a nb e u s e dt or e s e 鲫c ht 1 1 em a c r o s c o p i ce x t e m a lc h 撇c t e r i s t i c so fv a l v e ，i i la d d i t i o ns o m ed e f e c t sm u s t b e a ri nt 1 1 er e s e a r c hp r o c e s ss u c ha s1 0 n gp e r i o do fp r o d u c t i o nd e s i g i la n db j g hc o s te t c ，a 1 1 dm e i i l i c r o s c o p i cn o wf i e l dc a n n o tb eo b t a i n e d w i m 吐l ed e v e l o p m e n ta 1 1 d 印p l i c a t i o no fc f dm e o r y a t l dc f ds o r w 旺，c f ds i m u l a t i o n1 1 a si i l c r e a s i n g l yw i i l 1 e9 0 0 dg r a c e so fa c a d e m i ca i l d 砌u s 仃yc i r c l e s t h e 咖d yo nv i s 训s i 删a t i o no f3 dn o wf i e l df o rv e n t l l r in o wc o n 俩lv a l v e b a s e do nf l u e n ti sd i s c u s s e di nt b j sp a p e r t h ei n d u s 仃i a la p p l i c a t i o no fv e n n 】r if l o wc o n t r o lv 2 l l v ea 1 1 dd e v e l o p m e n to fc f dr e s e a r c h o nc o l l 仃o lv a l v ea r ed e s c r i b e di nt h ep a p e r ；m ec t e r i s t i c so f ：f l o wr e s i s 切n c ea 1 1 df l o wr a t eo f v a l v ea r ea i l 2 l l y s e d ；m er e l a t e d 也e o r i e so fc f d 锄1 dc o n 廿d 1e 删i o n sa r ed i s c u s s e d ；a tl a s t a c c o r d i n gt o 啪i c a lc o n d i t i o no f 也ev a l v e ，t 1 1 ec f dv i s 砌s i m u l a t i o no fv e n t u r in o wc o n 仃0 1 、谢v ei sc r e a t e d c o n c r e t ew o r k s o fn l i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 ) t be n s u r et l l es c i e n t i f i c i t ) ro fc f ds i m u l a t i o n ，f i r s t l ys i m u l a t i o n 、v o r ko fb u t t e r f l yv a l v ei s c a 玎i e do u t ；m er e s e a r c hr e s u l t so fn o wf i e l dd i s t r i b u t i o na n dd y n 锄i cm o m e n tc h a r a c t e r i s t i c si s c o i n c i d e 谢t hr e l a t e dc f d 也e o r i e sa n dc o n t r o le 小埘i o n s ，a n df i n a l l yt 1 1 er e s u i t ss h o wt h a tt 1 1 e u 1 1 咖l c n 玳dh y b r i dg r i dp 枷t i o nm e m o d ，s t a n d a r dk _ t m u l e n c em o d e la i l dt 1 1 es i m p l e c 2 l l c u l a t i o nm e t l l o di sr e a s o n a 【b l ef b rt h en o wf i e l dc a l c u l a t i o ni nt h ek i r l do fc o n t r o lv a l v e 2 ) p r e s s u r e 瑚e ta n dp r e s s u r eo u t l e ta r es e l e c t e da sb o u n d a 巧c o n d i t i o n s ，a c c o r d i l l gt o s e v e r a ld i 腩r e n ti n l e tp r e s s u r ea 1 1 dd i 船r e n t 1 v eo p e n j n g 舶m1o 。一8 0 0 ，m o d e l i n ga 1 1 dm e s l l i n g r e s p e c 血，d y ；血) mm a s s i v en u m e r i c a lc a l c i l l a t i o 玛也亭脚蠲正p r e s s u r ec o n 士o u r s ，v e l o c i 够 v e c t o ra n ds t r e a i i l l i n ed i a g r a m sa r eo b t a i n e di nm ed i 毹r e n ti r d e tp r e s s u r ea n dd i a e r e n tv a l v e o p e n i i l g ；血er e s m t sa r es h o w e dm a t 、i m 订1 ei i l f l u e n c eo ff l o w i i l ga r o u n db l u i l t b o d y ，m e f l o w f i e l dc t m g e 锄dt 1 1 ep r 0 山l c i n ga n dd i s a p p e a r i i l gp r o c e s so fv o r t e x “t l lt 1 1 ev a l v ep l a t eo p e i l i n g c h a n g e s 3 ) t h ea e r o d y n a i 】缸cm o m e n t sa r ec a i c u l a t e dm t 1 1 ec o n m t i o no ft h r e e 虹n do fi 1 1 l e tp r e s s u r e a 1 1 dv a l v ep l a t ea td i 疏r e n t 叩e 曲玛，a n d 也el a wo fm o m e n tc h a l l g e 谢廿lo p e n i n gi so b t a i n e d ； a n e m a t i n gs p r i n gl o a d sl a wo fa e m d y n 锄i cm o m e n t i st u mo n f i i l a l l y ，m er e s e a r c hc o n t e n t sa r es 硼瑚a r i z e d ，a n dt 1 1 e 砌 u r er e s e a r c hf o c u si sp o 砒o u t k e ”v o r d s ：v e n t u r in o wc o n t r o lv a l v e ；v i s u a ls i m l l l a t i o n ；p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ；a e r o d y n 撇i c m o m e n t ；c f d 武汉科技大学硕士学位论文第l 页 第一章绪论 1 1 引言 随着中国经济的发展，中国阀门行业发展也相当迅速，中国的阀门企业数量已居世界 前列，达到约6 0 0 0 家。阀门产业不仅在产值，产业上有很大的发展，在产品研发、成套 水平、工艺制造的吸收应用及自主创新上都有非常大的进展【l 】。阀门作为管路控制过程中 非常重要的设备元件，其作用越来越受到重视，已从单一的通断装置逐步发展成具有导流、 截止、调节、节流、止回等多功能、多用途的工业产品，品种和规格繁多，应用领域越来 越广泛【2 】。而在阀门种类中，对管路中的流量等参数进行控制任务的，叫做调节阀。文丘 利气流控制阀是调节阀的一种，它是现代转炉炼钢生产中的空气流量控制设备，属于炼钢 生产系统中的咽喉设备。 1 2 调节阀的定义及分类 1 2 1 调节阀的定义 调节阀，在国际工程中也被叫做c o 腑o lv a l v e ，国际上公认的定义是：“在工业生产中， 某控制系统中由驱动装置来改变其变化的终端设备，该设备包括一个阀体，在阀体内部会 有一个能改变流体流量等特性的组件，而组件又与一个或多个驱动机构连接，执行机构是 由相应的电信号来控制其响应 3 】。”调节阀是由阀体，驱动装置，阀芯或阀板组成。驱动装 置一般由气( 电) 动或电液执行机构组成，用来推动阀芯或阀板，阀芯或阀板直接与通流 介质相接触，在驱动装置的推动下来改变阀门的通流面积，达到调节阀门通流量的目的。 1 2 2 按是否借助外界驱动装置分类 4 】 1 、自力式调节阀：利用流经阀门介质( 液体，气体等) 自身能量，实现介质温度、 压力、流量自动调节的阀门。如自力式压力调节阀、自力式温度调节阀，自力式压差压调 节阀、自力式微压调节阀等) 2 、驱动式调节阀：借助手动，电动，电液动，气动等来操纵的调节阀。如气动调节 阀、电动调节阀、电液动调节阀等。 1 2 3 按与管道的连接方式分类 1 、法兰式调节阀：阀体上带有法兰，与管道采用法兰连接的调节阀。 2 、螺纹连接式调节阀：阀体上带有内螺纹或外螺纹，与管道采用螺纹连接的调节阀。 3 、焊接式调节阀：阀体上带有焊口，与管道采用焊接连接的调节阀。 4 、夹箍连接调节阀：阀体上带有夹口，与管道采用夹箍连接的调节阀。 5 、卡套连接调节阀：用卡套与管道连接的调节阀。 1 2 4 按用途和作用分类 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 1 、流量自动调节式调节阀：管道内介质流量，通过流量变送器测量。变送器输出信 号传给调节器，调节器发生的控制信号通过阀门定位器作用在调节阀上。当有扰动作用时， 如当管路中的流量下降，调节器使调节阀开大，直到回复到原来的流量。 2 、压力自动调节式调节阀：使整个阀门系统中保持压力恒定的调节阀。 3 、温度自动调节式调节阀：使工艺过程中保持一定温度的调节阀。 1 3 课题研究意义 文丘利气流控制阀是一种典型的流量调节阀，其结构如图1 。1 所示：阀门由两片矩形 阀板、阀体、液压驱动系统和一些附属装置构成，其通过流量由两阀板间的开度控制。两 阀板均可绕固定于管道壁面上的铰支点转动，转动角度决定了阀门开度。阀板处于任意角 度时，其两侧承受了气流分布压强力，作用于阀板两侧的分布压强合力形成了对阀板的气 动力矩，随着阀板角度不同，气流压强分布随之变动，于是气动力矩也就发生变化。而在 实际应用中，阀门的操作力矩，与气动力矩和摩擦力矩之和应该是大小相等，方向相反的， 这样才能保证阀板固定在任意位置。由于当阀板在开启与闭合过程中，摩擦力矩变化甚微， 因此气动力矩变化规律与阀板的操作力矩变化规律应该是一致的。所以，研究阀板的压强 分布及阀板上作用力矩，对文丘利阀气流控制有着重要的意义。 图1 1 文丘利气流控制阀结构示意图 1 一阀板；2 一阀体；3 一管道；4 一阀板转轴 1 4 计算流体力学发展历史 1 4 1 计算流体力学介绍 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 锄i c s ，简称c f d ) 是2 0 世纪6 0 年代伴随 着计算机科学迅速发展起来的一种新型研究方法，它是通过计算机数值模拟和可视化处 理，对流体流动和热传导等相关物理现象进行计算机数值分析和研究的一门力学分支学科 【1 5 】。计算流体力学是以计算机为工具，应用各种离散方法，对近代流体力学中基础理论和 工程应用问题进行数值模拟和分析，解决工程实践中各种流动问题，揭示了新的流动规律， 开拓新的流体力学方向。流体力学实验研究和理论分析成为建立计算流体力学计算模型的 理论依据；有关高等数学的理论及模拟数值计算方法的发展进步为计算流体力学提供了很 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 好的理论基础；超高速大容量巨型计算机不断涌现为复杂流动数值模拟提供了强大的计算 工具【1 6 1 7 1 。 众所周知，力学实验需要耗费大量经费和时间，有了数值模拟就可以大大节省实验经 费和时间。例如，在设计一种新飞型器或发动机时，可以先用数值模拟对各种设计方案进 行初步试算，对各种设计方案进行优化，在此基础上再进行实验，这样就能较快得到一个 最佳设计方案。计算流体力学也能启发人们安排新的重要实验并且促使人们发现流体力学 新现象。因此说计算流体力学推动着流体力学理论和实验的发展和创新。 1 4 2 计算流体力学历史进程 计算流体力学初创于1 9 6 5 1 9 7 4 年。这个阶段主要解决了计算流体力学中的一些基本 理论问题，如模型方程、数值算法、网格划分、程序编制与调试，以及通过计算结果与实 验现象及理论分析比较，确定数值算法的可靠性、精确性等。另外为了解决具有复杂边界 流动的工程问题，开始研究计算网格数值变换问题，如t h o n l p s o n 等人提出了采用微分方 程生成贴体坐标，由此开始逐步形成了“网格生成技术”分支学科【1 8 1 9 】。 1 9 7 5 1 9 9 0 年是计算流体力学走向工程应用阶段。数值算法在这一阶段得到充分的发 展和完善。h a r t e n 提出的t v d 差分算法是最具有代表性的算法。并且这一阶段使流体力 学在工程实践中得到了广泛应用。在初创阶段开发的计算程序和研究成果都需要由非常专 业的研究队伍来操作和应用，软件没有通用性，只能自己开发，自己使用。为此一些学者 们开始研究计算程序软件化，组建软件公司。在1 9 8 1 年，由s p a l d i i 坞等人推出p h 0 1 1 i c s 流 体软件，开创了流体计算软件先河f 2 0 ，2 1 1 。 从1 9 9 1 年后，计算流体力学应用到了快速发展时期。随着计算机图形学、计算机技 术的快速发展，这一阶段中计算流体力学的前后处理得到了迅速发展，如t e c p l o t 、g r a p h e r 、 g a m b i t 、g r i d g e n 和i c e m c f d 等。在此基础上，不少软件公司纷纷推出功能齐全、经济实 用的商业软件，如美国的f l u e n t 、s t a r c d 、a n s y s 及英国的c f x 等。近年来这些商业 软件在工程设计和开发研究上都得到广泛应用，并取得了较好成效。在这一阶段中计算流 体力学数值算法方面依旧被传统算法所统治，如h a r t e n 的t v d 差分算法和p 以m 【l ( a r 的 s i m p l e 算法。近些年来，不少学者对此提出了一些新观点、新概念和新算法，相信在不 久的将来，一定会计算流体力学基础研究方面取得突破性的进展【5 1 。 1 5 关于调节阀门流场c f d 仿真及钝体绕流的研究现状 1 5 1 调节阀门流场c f d 仿真 尽管由于阀门复杂的流动特性导致对于其进行c f d 数值模拟会有一定的困难，但是随 着电子计算机及模型设计手段的完善发展，越来越多的科研人员对阀门的c f d 数值模拟进 行了研究。文丘利气流控制阀虽然作为调节阀门中的一种，但是目前对文丘利气流控制阀 的c f d 研究文献为空白。而很多学者对其它调节阀门做过一些研究，对本课题研究提供了 很宝贵的参考依据。 中国学者诸葛伟林，刘光临，蒋劲【6 】等人对蝶阀的三维分离流动的数值模拟进行了研 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 究【6 】。该研究验证了基于非结构、非交错网格的有限体积法可以用来求解用栅方程模型 封闭的n 书方程组。并且得出了当蝶阀阀板偏转到一定角度时，阀板的背面会出现一定大 小的漩涡；当蝶阀关闭角度较小时，在与管道轴线垂直的截面上会形成一对大小相等方向 相反的漩涡控制着流场结构；在阀门的下游，漩涡相互作用会渐渐减弱，接近管道出口， 漩涡流动基本消失。最后根据阀门处于不同角度时的蝶阀数值模拟结果，得出阀门流动阻 力系数与阀门开度的关系。 图1 2 蝶阀网格图 图1 3 蝶阀关闭2 0 0 时x y 截面流速矢量图 学者f a i l g b i a ol i n 和g e r a l da s c h o l l l 【7 】对阀门的流动特性及水动力矩进行了c f d 仿 真研究。该研究利用商业流体软件f l u e n t 对盘状蝶阀的阻力系数、流量系数和动水力矩 系数进行了模拟及预测，得出了阀门动水力矩系数与阀门开度的变化关系，并且将阀门 c f d 仿真数据与实验数据进行了对比参照，结果c f d 仿真数据与实验数据非常相近地吻合， 得出c f d 仿真技术对阀门研究的可行性。 岁“ 图1 4 蝶阀流场网格图 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 k i “i 自铆 嘲 6 薹警 图1 5 蝶阀流场速度云图 韩国学者p 破y o u i l g c h u l 和宋学官【8 】利用专业流体仿真软件c f x 对中心对称蝶阀三维 流场进行了数值模拟研究。对阀门处于不同的开度下，阀门的流量系数、水力扭矩系数、 空化系数等进行了研究。并通过经验值与模拟值的比较，验证了计算模拟的可靠性。通过 该研究还得出，当阀门偏转较小时，模拟值会与实验值有较大差距，这可能是与其采用的 瑚流模型本身的缺陷导致的。而当阀门接近完全关闭时，阀门附近出现强烈的漩涡， c f x 模拟对其非常敏感，模拟结果与实验值相差也较大。 _ ，耻。； 。 图1 6 压力流线图 学者石娟，姚征，马明轩【9 】运用计算流体力学方法，对一种快开式单座调节阀进行了 定常与非定常的水力特性进行数值模拟。先对阀门处于各种开度下的定常水力特性和阀内 流场变化进行了详细的分析，然后用动网格技术对阀门开合过程进行了非定常数值模拟， 得出了流量和阀芯轴向力随时间发生的变化曲线。 图1 7 调节阀门网格 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 8 关闭过程中阀芯所受轴向液动力 另外z a c h a r yl e 咖l e r 和c h a r l e sd a l t o n 【1 0 】研究了可压缩流体在对称蝶阀中的压力及 力矩特性；d a n b o nf 和s o l l i e cc 1 1 】对蝶阀内部流场进行了分析；h ez l l i - g u o 和m a og e n h a i 1 2 1 对阀门内流道中的三维复杂湍流流动的数值模拟作了深入研究l i n 和s c h o m 【1 3 】分析了 c f d 在蝶阀领域的应用；c h e m 和w a n 一1 4 】运用c f d 软件s 口瓜c d 分析了在球阀中流动 的流体并模拟得出了球阀的相关系数。 1 5 2 钝体绕流研究 当流体经过阀门阀板时，相当于一个钝体绕流的过程，因此可以将钝体绕流的相关理 论知识应用到对阀门流场分析的研究上。关于钝体绕流，一直是流体力学研究的热门话题， 很多学者关于钝体绕流从理论上进行了相关分析。 学者李玲和李玉粱【2 2 】首次采用基于i 矾g 方法的湍流模型对绕流钝体后尾流流场进行 了数值模拟。计算在任意非正交曲线坐标系下，采用非交错网格的有限体积法求解二维不 可压n s 方程，计算结果与实验数据及采用标准的k - 两方程湍流模型计算的结果进行比 较，结果表明了基于i 斟g 方法的湍流模型对于与时间相关的大尺度运动与漩涡脱落的尾 流的详细结构，能够给出真实的模拟。 图1 9 圆柱绕流流场计算网格图 图1 1 0 采用标准r n g 湍流模型计算的流线图 武汉科技大学硕士学位论文第7 页 学者汪大洋，周云和谭平【2 3 】对三维钝体结构风压分布与绕流特性的大涡模拟进行了研 究。文章针对风场作用下三维钝体结构的绕流特性与空间风压分布特性，采用大涡模型对 其进行了数值模拟研究，以平均风速和脉动风速作为入口边界条件，在稳态分析的基础上 对多种不同来流方向的工况进行了瞬态动力分析，再现了钝体绕流的冲撞、分离、重附着 等现象，揭示了钝体绕流主、次涡循环区的形成、发展机理，提出了空间风压场分布的一 般规律。 l4 i 2 i 0 o 8 0 ，6 0 4 o 2 o 图2 0 计算模型 图1 1 1 风速剖面分布图 学者李志辉，张涵信【2 4 j 对跨流域三维复杂绕流问题的气体运动论并行计算，通过研究 求解描述飞船返回舱跨流域三维绕流问题的b 0 1 t 珊锄模型方程气体运动论耦合迭代数值 格式，分析气体运动论数值计算方法的内在并行性；从变量依赖关系、数据通信与并行可 扩展三方面开展基于离散速度空间区域分解计算的研究，发展求解稀薄流到连续流跨流域 三维复杂绕流问题的并行算法。结果表明该并行算法负载平衡和并行可扩展性较好。 鸶( 一 图1 1 2 不同流区圆球绕流轴对称面内马赫数值等值线 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 1 3 返回舱外形体绕流流场矢量流线结构 另外吴文权、陈斌【2 5 】采用离散涡方法对多个钝体绕流现象的研究表明，即使来流是均 匀稳定的，绕多个钝体的流动也往往是不稳定的流动；孙德军，胡国辉，尹协远等1 2 6 j 采用 g a l e r k i n 方法模拟了低雷诺数的圆柱绕流流动；程永光【2 7 】采用l a t t i c eb o l t z l l l a 衄和非均匀 网格的方法模拟了圆柱绕流中涡脱落过程；m u r a l 锄i 和m o c l l i d a 【2 8 j 使用标准的磁型对 钝体绕流进行了研究，其结果表明，标准踹流模型不能合理地模拟钝体绕流的分离、 再附和涡脱落等一系列复杂的特征；m u 谳锄i 和y ud a _ h a i 【2 9 】应用大涡模型对钝体绕流现 象进行了广泛的研究表明，l e s 模型虽然能准确地反映钝体绕流的复杂特征，但是大涡模 拟由于计算量大而难以应用于实际工程中；d u r a o ，p 1 e s n i a k 和b r a 吼1 3 0 j 采用实验的方法测 量方柱绕流的非定常特征参数。 1 6 本文的主要工作与研究内容 本文以流体计算动力学的相关理论为基础，利用专业的流体模拟仿真软件对某钢厂的 文丘利气流控制阀进行了计算机数值仿真，并对仿真结果进行了深入的分析，相关的具体 研究内容包括以下几个部分： 1 、模型建立：通过建模及网格划分软件，对较典型并且研究较多的对称式蝶阀和本文 得点要研究的文丘利气流控制阀进行了三维建模及网格划分。 2 、方法验证：利用c f d 仿真软件，先对蝶阀进行数值模拟，得出阀门在偏转不同角度 时的流动特性及所受动力矩变化规律，与理论数据及相关文献资料进行对比分析，验证本 文数值模拟方法及网格划分的可靠性和算法的可行性。 3 、可视化模拟分析：对文丘利气流控制阀进行数值模拟分析，应用仿真结果中的压力 云图，流线图等研究阀板处于不同偏转角度时的气流压力变化，并对单个阀板所受到的气 动力矩进行讨论研究。 4 、综合探讨：采用不同的入口条件对文丘利气流控制阀进行数值模拟计算，对阀门的 流动特性及动力矩随不同入口条件而变化进行了探讨。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第二章文丘利气流控制阀的工作原理和流动特性 2 1 文丘利气流控制阀的结构组成与工作原理 文丘利气流控制阀是一种气体流量调节阀，由驱动装置和阀体及阀板组成通过外界动 力驱动阀板来改变流体通流量。驱动装置与阀板轴连接在一起，通过控制器输出信号转换 成驱动装置执行机构的直线位移，执行机构与阀板轴的连接，推动阀板轴发生角位移。这 样驱动装置提供的推动力或推动力矩，用来克服阀板轴受到的气动力，阀压紧力及摩擦力 等，最终使得阀门轴的角位移与输入信号成线性变化。阀起调节气体通流量的作用，能将 驱动装置执行元件的输出位移转化为文丘利气流控制阀阀板轴的角位移，从而改变阀板的 偏移角度，进而改变阀体的通流面积。 文丘利气流控制阀根据驱动装置动力主要有气动方式、电动方式、液动方式和电液混 合方式等几种【3 1 1 。驱动装置采用气动方式的文丘利气流控制阀具有历史悠久、价格低廉、 结构单一、维护简单、性能可靠和整体安全性能高等特点，因此应用较广。驱动装置采用 电动方式的文丘利气流控制阀具有结构紧凑，不需要电气转换环节，能远程连接电子控制 装备等特点，但是价格较气动方式的阀门要贵，对电机要求较高，发热量大。液动方式的 文丘利气流控制阀具有推动力及推动力矩大的特点，但由于装置体积大，并且管路复杂。 所以，通常在需要大推动力矩的场合采用电液混合方式来作为阀门的驱动方式。只有在某 些处理易燃易爆性质的物料系统中，会采用气动方式驱动装置的文丘利气流控制阀。 2 2 文丘利气流控制阀的节流原理与流量特性 2 2 1 节流原理 文丘利气流控制阀作为调节阀中的一种，阀门的主要特性包括阻力特性和流量特性。 阀门的流阻特性指的是在介质流经阀门时，阀门的阻力系数与阀门开度之间的关系，而流 量特性指的是通过阀门的流量与其开度的关系。与其它调节阀一样，文丘利气流控制阀可 以看成是一个局部阻力可以改变的节流元件。由于阀板之间的间隙成为流体唯一能通过阀 体的区域，因此当阀门从关闭到开启或阀门从开启到关闭的过程中，流通面积发生了变化， 导致阀门的阻力系数发生变化。流体在经过文丘利气流控制阀时会产生能量损失，通过阀 板前后压差来反映阻力损失的大小。图2 1 所示为介质通过文丘利气流控制阀时，压力和 速度的变化。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 图2 1 文丘利气流控制阀节流工作图 在区域1 处，压力设为p l ，流体速度设为1 ，1 ；由于中间阀门档板的作用，流线开始压 缩，在区域2 处，压力，压力设为p 2 ，流体速度设为v 2 。由于通过节流区时要克服阻力， 故通过节流区以后介质的压力就不能恢复到p l 值。考虑到这个现象，伯努利方程增加一项 p 1 ，代表压力损失。对于区域1 和区域2 ，应用伯努利方程，得【3 2 1 ： 华+ b = 华坛+ 舰 ( 2 1 ) 将式( 2 1 ) 改写为下列形式： ( a 一致) 一舰= 等( 吃2 一h 2 ) ( 2 - 2 ) 从式( 2 _ 2 ) 中可看出的压力降：训一卸，为可回收的压力损失，它表示动能转变为压 力能；卸。为克服阻力的压力损失。文丘利气流控制阀产生的压力损失用卸，表示，压力损 失肼的表达式为： 衄= p 孝 ( 2 3 ) 通过式( 2 3 ) 可得出通过阀门的流量计算公式如式： 旷专4 浮 ( 2 - 4 ) 吼2 万4 彳 u q ) 式中：彳，为介质流过阀门时的通流面积；伪系数。 2 2 2 文丘利气流控制阀的阻力特性 当介质流经阀门时，阀门对介质有一个阻力作用，反映阀门的阻力作用用一个流阻系 数值旁表示，系数大小值取决于阀门的结构尺寸及介质流动速度和压力等。对于每一种阀 门的流阻系数都需要用实验方法来确定。 一般根据流动的不同形式，有多种方式来分析阀门的阻力特性，本文中主要讨论以下 两种情况： 1 、流束突然扩大。在这种情况下，介质部分流速消耗在形成涡流、液体的搅动和使 液体升温过程中。局部阻力系数和扩大前管子的截面积么1 和扩大后管路面积彳2 之比的近 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 似关系式表不如f ： 孝= ( - 一专 2 ，孝= ( 鲁一t 2 c 2 5 ， 式中：伪扩大前管路内介质流速有关的流阻系数；f 为扩大后管路内介质流速有关的流阻 系数。 2 、流束逐渐缩小。产生的流体阻力取决于4 的截面比。与收缩后的液流流速有关的 鸣 流阻系数孝犊下式确定： 乒o s ( 一乏 阻6 ， 2 2 3 文丘利气流控制阀的流量特性 当阀门中通过介质不同时，阀门的流量计算表达式会有所不同，下面主要介绍阀门中 流通介质为单一气体的情况下进行推导，阀门控制的流量系数用c 。表示。 在阀门处于某个开度时，两次应用式( 2 - 4 ) 。一次相对于任何条件，另一次是相对于标 准条件，在任何条件下时： 铲嘉4 浮吼2 万4 、彳 在标准条件下时： c v2 嘉4 净 旷露4 彳 将上面两式相比，得出： 酽c v 屠 ( 2 - 7 ) 要确定流通介质为气体时的阀门流量系数，要进行一系列的假设。首先假设气体是理 想气体，并假设阀门前后气体的温度不变。 在正常状态，g ，和肿计算如下： 吼= 磐 ( 2 8 ) 见：f 。 p = 岛等 ( 2 9 ) 见1 1 将式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 代入式( 2 7 ) ，导出以下公式： 第1 2 页武汉科技大学硕士学位论文 旷g 舞= c v j 参器p 2 l 。凸乒k f 岛见。 g 。= 5 1 4 q ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 取死= 2 7 3 k ，胪1 2 9 3 蚝肺3 ，胁0 1 0 3 m p a ，p k = l o 。p a 。f 标1 和2 分别表不阎h i j 和阀后的值。 从式( 2 1 1 ) 得到下式： c v = 蠡摇 ( 2 - 1 2 ) 式( 2 1 1 ) 和式( 2 1 2 ) 是f r u l l 在1 9 7 5 年建立的，目前还在使用。后来u i i i l l a l l 在进行流 体热力学分析的基础上，在无摩擦和绝热膨胀及p 2 仞l o 9 的条件下，建立如下关系式： 旷触劳般 划4 触意厄 q = 南鲁 p 聊 苴中 p = 矿 p 式中：k 为等熵指数；圪为在标准条件下气体的比体积。 上述公式除了已说明的限制条件外，还有其他的限制。但由于它应用方便，并能得到 令人满意的结果，因此被广泛地采用。 2 3 本章小结 本章介绍了文丘利气流控制阀的结构组成及工作原理，并按驱动装置类型对文丘利气 流控制阀进行了分类，并列出在不同工况下选择不同驱动方式的文丘利气流控制阀。然后 对阀门的流动特性进行了介绍，其中主要对其阻力特性和流量特性做了比较详细的介绍。 武汉科技大学硕士学位论文第1 3 页 第三章计算流体力学概述及流体控制方程 3 1 计算流体力学概述 计算流体力学( c o m p 喇i o n a lf l u i dd y n a i l l i c s ) 也被简称为c f d 。自2 0 世纪中叶第一台 计算机问世以来，伴随着计算机科学继续迅速崛起而形成的。继实验方法与分析方法之后， 计算流体力学成为一门独立的研究方法【3 3 3 4 1 。在研究流体运动规律，解决工程实际问题等 方面发挥着越来越大的作用。随着高性能计算机的发展，计算流体力学也有了较大的发展 和创新，应用范围越来越大，现如今计算流体力学已渗透到各种相关学科和工程应用中【3 5 ， 3 6 】 o 计算流体力学的基本思想可概括为：以经典流体力学理论为基础，确定流动中所需要 控制流动的基本方程组；然后将流体计算区域离散成诸多网格块，将网格节点上的数值进 行离散，把原来在时间域及空间域上的连续流动量，如速度场、密度场和温度场，用有限 的离散节点上的变量集合来代替；通过一定的数值处理原则和计算方法，建立离散节点上 变量之间所满足的代数方程组，并数值求解这些代数方程组，获得连续流动量在这些离散 节点上的近似值；得到各种复杂流动问题的流动量的分布，以及它们随时间和空间的变化 规律；并结合计算机辅助设计，对各种科学问题、工程应用和生产实践进行预报和优化设 训3 7 1 。 c f d 被作为一种科研工具，具有自身独特的优势。在c f d 被广泛应用前，绝大多数 理论研究必须通过实验研究来验证，而实验研究对场地，成本，及操作有非常严苛的要求。 相对于人工实验，c f d 研究具有成本低，速度快，准确和资料保存等多种优点。只要设定 好c f d 所需要的模型数据及边界条件，可以非常直观地了解某个流场中任意一点的详情， 给出流场包括力、速度、温度、压强等各种数据。比如在调节阀流场分析中，给定阀门的 入口及出口边界条件，设定好阀门的网格模型及材料模型，就能很清楚地了解到流道中每 一点的压力分布，流线走向，以及紊流模型中流场内部漩涡、气穴位置及大小能够很明显 地通过图形数据表达出来，从而对阀门内部结构进行优化设计。总之，c f d 在工程研究中 可以很清楚地对内部流场情况进行监视，这样能够花费较少的时间和经费对产品进行结构 和性能优化，缩短产品的研发周期。 3 2c f d 计算模拟的主要工作流程 c f d 模拟仿真根据实际模型及流场条件不一样，计算方法和参数选择有所不同，但是 从宏观角度来看，计算流体动力学从建模到求解有一个共同的流程，不管针对于任何流场 的数值模拟，要想得到最精确的求解，必须要经过以下几个步骤【3 8 】： ( 1 ) 对需要模拟仿真的流场区域进行建模及网格划分 在进行c f d 模拟计算之前，先要确定流场区域形状，并要对区域的几何大小进行测量。 根据区域形状及大小，从而确定网格划分的方法及网格的划分数值大小，并还可以根据所 第1 4 页武汉科技大学硕士学位论文 需要研究的重点区域进行区域分割与重点研究区域网格的密化。虽然说计算结果主要出自 仿真计算，但根据诸多事实证明，该步骤对仿真计算的准确性具有相当重要的作用，所以 一般而言，该步骤所花的时间占整个c f d 模拟计算时间的一半以上。 ( 2 ) 边界条件设定及数值计算方法的选择。 边界条件是所有c f d 计算问题都必须设定的，对于不同的c f d 模拟，边界条件和初 始条件不一样。边界条件的确定保证了模拟计算参数条件。根据网格的静态和动态不同， 同样的流场分析，边界条件设定的也不一样。对于数值计算方法的选择，在c f d 中有多种 数值方法可以选择，目前计算比较多主要有差分方程组数值解法和有限体积算法。数值方 法的选择有时也要参考计算域中的网格划分方法，不同的网格划分方法用特定的数值计算 方法会比较容易实现计算收敛。例如，如果采用有限差分法，通常如果网格主要是结构化 网格，刚比较适合采用差分方程组数值解法；而对于结构和非结构网格混合划分的，则比 较适合用而有限体积方法。 ( 3 ) 程序设计和调试。 在网格划分方式和数值方法的基础上，编制、调试数值求解流动运动控制方程的计算 机程序或软件。 ( 4 ) 计算结果显示及后处理。 在得到数值解后，对数值解进行显示和分析是c f d 中非常重要的环节，一般称为后处 理o s t _ p r o c e s s i n g ) 。后处理包括计算感兴趣的力、力矩以及应用可视伦化软件对于流场的 显示和分析。然后对于数值方法和物理模型的误差进行评估等。与之对应的，对所求解的 问题的界定和网格划分等，称为前处理( p r e - p r o c e s s i n g ) 。 c f d 模拟的过程可以用如图3 1 表示： 确定控制方程与边界条件 计算模型的建立及网格划分 建立离散方程 初始条件及边界条件的离散 是 计算结果显示与分析 图3 1c f d 模拟流程图 武汉科技大学硕士学位论文第1 5 页 3 3 计算流体力学有关的控制方程 3 3 1 质量守恒方程 质量守恒定律对于所有有关流体流动的问题都满足。质量守恒定律在某个流动过程中 的数学表达式叫做质量守恒方程，又被称作连续性方程。该定律可概述为：在流动流场中 随机取一个单位体积为啪区域体，并规定其控制面的大小为s ，那么则有在某个时段内通 过该区域体内其控制面的质量，等于单位时间内流入通过该区域体内其控制面的质量增 量。按照这个定律的表述，可以得出质量守恒定律的几何表达式【3 9 】，即： 工挚矿+ 唾( 丽) p 程= o ( 3 - 1 ) 式中：纳流体密度；聆为流场区域内控制面积舔的外法线单位向量；u 为流场区域内控制 面积d 吐流动介质的运动速度。 根据高斯公式： 唾( 珂户u ) 搬5j ：咖( p u ) d y ( 3 2 ) 式中：d i v p u ) 为p u 的散度值。 在c 眦e s i a i l 坐标系下：旃v ( p 西) ：亟掣7 + 墨婴了+ 亟磐乏。 另外，式( 3 1 ) 又可以表示为： 瞎+ 咖( 面) b 。 由于式( 3 1 ) 对任意控制体均成立，则上式中的被积函数必然恒等于0 ，即： 害+ 掣+ 掣+ 掣：o ( 3 - 3 ) 8 ta ) c如a z 、 。 式( 3 3 ) 称为微分形式的连续性方程，其中：肭流体密度；f 为时间；扒v 、w 为速度矢量y 在三个坐标轴上速度分量。 对于不可压缩流体，流体密度肭常数，式( 3 3 ) 变为 丝+ 生+ 塑：o 融砂 瑟 对于定常流动：娑：o ，则式( 3 3 ) 变为： 掣+ 掣+ 掣：o ( 3 _ 4 ) 第1 6 页武汉科技大学硕士学位论文 3 3 2 动量守恒方程 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律可表述为：作用在控 制体上的外力的合力与单位时间内通过控制面流入控制体的动量之和等于单位时间内控 制体中流体动量的增量。动量守恒定理在流场中的数学表达，称为运动方程。 若设流场中某点的流体密度为p ，速度为衫，单位质量流体所受到的质量力为7 ，微 元表面积d 吐的应力张量为n ，分量为a i j ，其中见= ( ，o x y ，g 曲= ( o l l ，0 1 2 ，o - s ) ，微元表 面积劣的外法线单位向量为丢，则该控制体受到的总质量力为 p 两，表面力为 嗔兀淼，而流体具有的总动量为工户弧，则动量守恒定理的数学表达式为： j ：掣y = 膨y + 唾兀讧绗百) p 弧 变形为： f 华y + 孵方) p 弧：j ：p 力y + 唾兀施 ( 3 _ 5 ) 对于x 方向的动量守恒，有： 工挚y + 绗孑) 脚= 工以肌嘎瓦施 应用高斯公式，有： 塾婴+ 挑( p 砒) 一以一枷( 瓦) ：o ( 3 6 ) 同理，或得y ，z 方向的运动方程为： 掣+ 州p 西) 一啊一州万) ：o ( 3 _ 7 ) o t 。 掣+ 挑( p 两一以一挑( 万) ：o ( 3 _ 8 ) 式( 3 5 ) 是积分形式的运动方程：式( 3 6 ) 至式( 3 8 ) 为微分形式的运动方程。 3 3 3 能量守恒方程 定义流场区域中某个控制体的体积为k 并规定其控制面的大小为在该控制体内存 在着能量交换，流体介质与外界的能量交换可以描述为：在控制面上表面力所做的功，质 量力场对控制体内流动所做的功，以及流体流进和流出控制体所引起的与外界的能量交 换，控制体内流体与外界的热量交换，这些都是引起控制体内流体能量变化的因素，该变 武汉科