（流体力学专业论文）线性特性调节蝶阀的研究.pdf

学号2 q 5 q 曼q1 3 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。据我所知，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，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育机 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。 学位论文作者签名 舞毽备 签字日期：2 棚7 年岁月户日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝 江盘堂有关保留、使用学位论文的规定， ， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位沦文。 ( 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 幸盛军 导师签名： 签字日期：一7 年s 月。日签字日期：o 己力丐砗多月多口日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司 电话： 通讯地址：深圳南山区高新技术产业园区科技南十二路迈瑞大厦邮编：5 1 8 0 5 7 章威军硕士学位论文 摘要浙江大学流体工程研究所 摘要 线性调节阀在流体流动与智能控制中的应用十分广泛，目前在工程界普遍推 广使用的线性特性调节阀采用的是直行程阀，这种结构的阀门存在整体构造复 杂、对执行机构要求较高等缺点。 本论文利用阀门设计中广泛使用的经验公式开发了多孔配流板，直接加装在 普通电动蝶阀的阀板上，研发出具有线性流量特性的电动调节蝶阀产品模型，并 对这类调节蝶阀产品模型的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 k 一占湍流模式和非结构化网格的s i m p l e 计算方法，通过对所设计的调 节蝶阀产品模型在不同阀芯开度、不同流速下的数值模拟，获得了阀门流量系数 ( 墨。) 与阀门相对开度( 口) 间的数学关系，即阀门的流量调节特性关系。 论文还专门设计制作了配置高精度流量和压差传感器的阀门特性试验装置， 对创新设计所得到的调节蝶阀产品模型进行了实验研究，获得了阀门的实验相对 流量系数与相对开度阃的调节特性测试数据。通过将符合特性要求的蝶阀实验模 型和多孔配流板实验模型进行模型扩展设计，利用阀门的几何相似准则，论文研 究开发出了多种口径规格的线性特性调节蝶阀，并进行了工程化的初步设计计 算。 论文还首次采用了模型设计、理论分析、数值模拟和实验研究各个过程交替 进行的产品研究开发新流程，并对线性调节蝶阀研究成果进行了创新性的应用研 究。数值计算和实验研究的对比结果表明，三维c f d 技术进行阀门产品的研究开 发是可行的、有效的，并与实验测试数据吻合良好。 论文创新研究开发的调节蝶阀具有十分理想的线性流量特性，可以应用到流 体流动与控制工程中。 关键词：蝶阀配流板调节阀流量特性数值模拟实验研究 章威军硕士学位论文a b s t r a c t 浙江大学流体工程研究所 t h es t u d yo f l i n e a rf l u xc h a r a c t e r i s t i cc o n t r o lb u t t e r f l yv a l v e z h a n gw e i j u n ( 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 l i n e a rf l u xc h a r a c t e r i s t i cc o n t r o lv a l v ei su s e de v e r y w h e r e n o wl i n e a rf l u x c h a r a c t e r i s t i cc o n t r o lv a l v ew eu s e di np r o j e c ti sa l w a y sl i n e a rm o t i o nv a l v e i t s c o m p l e xa n dr e q u i r e sag o o da c t u a t o r t h i st h e s i sd e s i g nam u l t i - h o l ev a l v ep l a t e , a n db a s eo nb u t t e r f l yv a l v e w e d e v e l o pt h el i n e a rf l u xc h a r a c t e r i s t i cc o n t r o lb u t t e r f l yv a l v e t h r e e - d i m e n s i a n a l n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni s p e r f o r m e do i li t t h er n gk - 占u n b u l e n c em o d e la n d s i m p l es c h e m eb a s e do nu n s 订u c t u r e dg r i ds y s t e mw e r ea d o p t e di nn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h er e l a t i o n sb e t w e e nr e l a t i v ef l o wc o e f f i c i e n t 瓦a n dr e l a t i v ev a l v e o p e n i n g0w e r eo b t a i n e db ys i m u l a t i n gt h em o d e la tt h ed i f f e r e n to p e n i n ga n g l e i ne 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 e dat e s t - b e de q u i p p e dw i t h h i g hs e n s i t i v es a m p l e d - d a t as y s t e m a n da l s og o tt h er e l a t i o n sb e t w e e nr e l a t i v e c o e f f i c i e n to f f l o w k 。a n dr e l a t i v ev a l v eo p e n i n g8 w ed e v e l o p e dd i f f e r e n tc a l i b e r v a l v eb yu s i n gt h ep r i n c i p l eo fg e o m e t r i cs i m i l a r i t y i nt h et h e s i s ，w ea d o p tm o d e ld e s i g n 、t h e o r ya n a l y s i s 、n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na l t e r n a t e l yi nt h ep r o c e s so fs t u d y w es t u d yt h ec r e a t i v e u s i n go ft h ev a l v e t h en u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ：i t sf e a s i b l et o d e s i g na n do p t i m i z et h e c o n t r o lv a l v e b yt h r e e - d i m e n s i o n a lc f dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n m o r e o v e r , t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec o i n c i d e n tw i t h e 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 ec o n t r o lb u t t e r f l yv a l v ed e v e l o p e di nt h i st h e s i sh a sa9 0 0 dl i n e a rf l u x c h a r a c t e r i s t i c i tc o u l db eu s e di np r o j e c t k e yw o r d s ：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 lv a l v e , f l u xc h a r a c t e r i s t i c , 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 2 章威军硕士学位论文第一章绪论 浙江大学流体工程研究所 第一章绪论 1 1 调节阀概况 阀门是控制被调介质流量的一个部件。阀门的主要功能包括：介质直接流通 或者介质阶段性通路、调节和节流、防止倒流、调节压力、释放多余压力。调节 阀是其中一种十分重要的控制阀门，它用于调节流体流动变量控制。现在生产过 程中，调节阀是整个控制系统的重要部件，具有以下主要几种类型p l ： 直通单座阀：只有一个阀芯和一个阀座，是最常见的调节阀。 直通双座阀：具有两个阀芯和两个阀座，相比于直通单座阀具有不平衡力小 的优势。 三通阀：按照对流体介质的作用方式不同可以分为合流阀和分流阀。主要应 用于流体介质需要进行配比的控制系统。 角形阀：适用于要求直角连接的应用场合，可以节省一个直角弯管和安装空 间，角形阀只能单向导通。 高压阀：适用于高静压和高压差的应用场合。 隔膜阀：由耐腐蚀的隔膜和内衬耐腐蚀材质的阀体组成，适用于强酸、强碱、 强腐蚀性流体介质的控制。 套简阀：又称笼式阀，它是阀内件采用阀芯和阀笼的调节阀。套筒阀可以是 直通单座阀，也可以是直通双座阀或者角形阀。 球阀：是一类旋转阀，它将直形成转换成旋转开度。球阀阀芯是一个带孔的 球，当阀芯旋转时，节流面积变化。 偏心旋转阀：又称挠曲凸轮阀、偏心球塞调节阀。它有一个偏心旋转的阀芯， 当调节阀接近关闭时，阀芯的弯曲臂产生挠曲变形，使阀芯的球面球塞与阀座紧 密接触，具有很好的密封性能。 闸阀：常用于高黏度，含纤维的浆料等流体介质的控制。 蝶阀：按作用可分为调节型、切断型和调节切断型三类。 蝶阀具有如下特点： l 、通流能力大，可调比大，压降小。 2 、流路简单，流阻小，可用于大口径、大流量、低压差的场合。 3 章威军硕士学位论文第一章绪论浙江大学流体工程研究所 3 、体积小，重量轻，结构紧凑，制造工艺简单，价格低廉。 4 、可通过阀板形状的设计，改善流路阻力分配。 原始的普通蝶阀是一种简单的，且关闭不严的挡板阀，一般具有快开流量特 性，通常在管路系统中作为流量调节阀和阻尼阀使用【“。本论文就是在蝶阀的 基础上进行创新改进，通过安装我们所研发的多孔配流板达到线性流量特性。印 假设阀门前后压差恒定不变的情况下，通过阀门流量与开度呈线性关系眇1 。 1 2 调节阀存在问题和发展方向 在控制阀广泛应用的现在，其也存在着不少的问题： 1 、品种多，规格多，参数多。 2 、控制阀的可靠性差。 3 、控制阀的笨重给运输、安装、维护带来很大的麻烦。 4 、流量特性与工业工程被控制对象特性不匹配，造成控制品质变差。 5 、控制阀噪声过大，能量消耗严重。 控制阀的设计是一个热门的研究话题，在控制阀对整个控制系统的性能起着 举足轻重的作用下，控制阀的发展十分迅速。其主要发展方向为智能化、标准化、 精小化、旋转化和安全化。 l 、智能化：控制阀的自动诊断，运行状态的远程控制；数字通性；智能阀 门定位器。 2 、标准化：实现控制阀的互换性、互操作性；标准化的诊断软件和其他辅 助软件；标准化的选型程序。 3 、精小化：采用精小的执行机构；改变流路；采用电动执行机构。 4 、旋转化：由于角行程控制阀具有相对体积小、流路阻力较小、可调比大、 流通能力大等优点，近年来国内外对角行程控制阀的研究力度在不断加大。 5 、安全化：主要是对阀门提出了及时、可靠、安全动作的要求。1 1 j 1 3c f d 软件应用进展 1 3 1 计算流体力学 c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 是计算流体力学的简称。流体运动的 4 章威军硕士学位论文第一章绪论 浙江大学流体工程研究所 规律由以下三个定律为基础的：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。 如欧拉方程、n - - s 方程【“q 等，采用数值计算的方法，通过计算机求解这些数学 方程，研究流体运动特性，给出流体运动空间定律，这样的学科就是计算流体力 学【9 l 。 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【1 0 _ ”l 。 现在人们研究流体运动规律的方法主要集中在一下三个方面： l 、实验研究：通过实验的手段来了解一些流动的规律。但实验研究过程中 所要耗费的人力、财力、物力是相当巨大的，且许多工程是无法用实验 来代替的。尤其是复杂模型实验数据的取得是十分困难的。 2 、理论分析：通过建立一系列的控制方程，并基于许多理想化的假设，在 很多情况下可以得出理想的结果，但是现实工程中问题的复杂性往往是 超出这个理想范畴的。 3 、数值计算：也就是计算流体力学的范畴，它是建立在理论分析的基础之 上，将流体区域采用不同的方法进行数值离散化，再利用代数方程的求 解获得离散点上的数值解。随着计算机技术的不断发展，其在工程应用 中的优势将越来越明显。 1 3 2c f d 软件概述 随着现代科技的发展，计算机软件和硬件能力的不断强大以及计算流体力学 数值计算方法的成熟，出现了基于现代流体力学的商用c f d 软件。商用c f d 软 件的出现，将研究人员从工作量巨大而繁琐的编程中解放出来，使研究人员有更 多的精力投入到其他实质性研究领域，为现代工程问题的解决开辟了新的道路。 商用c f d 软件通常有三种功能，分别着重于：前处理( p r e p r o c e s s i n g ) 、求 解器( c o m p u t e r ) 、后处理( p a s t p r o c e s s i n g ) 。上述三个过程中，每个过程都有许 多著名的商用软件1 1 6 l ： 前处理软件( p r e p r o c e s s i n g ) ：g a m b i t 、t g r i d 、c , - r i d p r o 、g f i d g c n 、i c e m 。 求解器软件( c o m p u t e r ) ：f l u e n t 、f i d a p 、p o l y f l o w 、c f x 、s t a r - - c d 。 后处理软件( p a s t p r o c e s s i n g ) ：t o c p l o t 、f i e l dv i e w 、a v s 、e n s i g h t 。 章威军硕士学位论文 第一章绪论浙江大学流体工程研究所 1 4 论文的研究目标、内容及意义 1 4 1 论文的研究目标与内容 一般地，阀门的流量特性可以分为等百分比、线性、快开和抛物线等流量调 节特性f 1 8 】。现有的大多数直行程调节阀在实现这些流量特性上都取得不错的效 果，但存在普遍的问题是结构复杂、生产成本高、设备维修费用高、体积庞大以 及安装不方便等。 本论文的目标是在传统普通蝶阀的基础上，通过增加多孔配流板的方式研究 出具有线性流量特性的调节蝶阀，并且对其创新性的应用进行研究。作为论文研 究的目标，同时要求研究的线性调节阀门具有以下的优点： 1 、整体结构简单化：蝶阀的基本结构相比于现在的许多直行程阀结构要简 单很多，同时多孔配流板也必须便于生产加工，以降低整体成本、缩小 体积。 2 、良好的线性特性：许多调节阀门标称的流量特性往往具有其行程限制性。 我们研究的调节蝶阀目标在尽量大范围角度内满足线性调节关系，即阀 门具有良好的可调比。 3 、合理的通流能力：在工程应用中这个通流能力的设计计算是非常重要的。 通流能力太低，必然会产生过大的压损，浪费能源；而通流能力过大， 无法起到良好的调节作用，即阀门具有合理的阀权度。 本论文的研究内容主要包括如下部分组成： 1 、利用阀门设计计算的经验公式，创新设计出有可能具有线性流量特性的 多孔配流板几何形状和尺寸。 2 、对安装有配流板的调节蝶阀进行数值分析，数值计算采用r n g k g 湍 流模式和非结构化网格的s i m p l e 计算方法，通过对所设计的调节蝶阀 产品模型在不同阀芯开度、不同流速下的数值模拟，获得阀门流量系数 ( j ) 与阀门相对开度( 口) 间的数学关系，即得到阀门流量调节特性 关系。 3 、数值计算的初步结果分析。通过分析数值结果，检查调节蝶阀是否具有 合理的线性流量特性，如果不具备线性特性或者离开目标值差距较大， 6 章威军硕士学位论文第一章绪论 浙江大学流体工程研究所 则通过经验计算公式和数值计算经验的积累适当修改配流板的结构和尺 寸，并再次进行数值分析。 4 、专门设计制作了一套配置高精度流量和压差传感器的阀门特性试验装 置，对创新设计所得到的调节蝶闽产品模型进行实验研究，获得阀门的 实验流量系数与相对开度间的调节特性测试数据。 5 、通过将符合特性要求的蝶阀模型和多孔配流板模型进行产品模型的扩展 设计，利用阀门的几何相似准则，研究开发出多种口径规格的线性特性 调节蝶阀，并进行初步的标准化设计计算。 6 、最后对具有线性特性的调节蝶阀进行创新应用研究。 在整个研究过程中我们走了许多弯路，尤其在重复上述步骤的设计开发和研 究过程中相对困难较多，在本论文中限于篇幅我们不重复描述每个过程的细节。 1 4 2 论文的研究意义 如前文所述，调节阀在工业生产过程控制系统中是必不可少的重要部件，影 响着整个流体流动过程的控制品质。因此本论文所研究的线性调节阀门具有十分 广泛的应用背景和工程意义i l j ： 1 、调节阀作为节流元件具有终端控制作用，对流量的精确控制是生产过程 中的一个十分棘手的问题。阀门的阀芯开度和流量系数呈线性关系的调 节阀在流量控制方面具有良好的调节作用。 2 、调节阀作为一个耗能元件，设计合理的压降和合理流量系数是线性调节 阀不可缺少的参数。通过多孔配流板的设计思想，可以实现同样规格的 阀门具有多种不同的流量系数。我们研究的线性调节蝶阀在具体工程应 用时，只需要更换另一个配流板就能解决不同流量系数的现实问题。 3 、线性调节蝶阀相比于现有的许多直行程线性调节阀具有体积小，重量轻 的优势，这在生产制造、安装运行过程中都是十分重要的。同时因这些 优点可以提高阀门运行的可靠性，并为智能控制阀的创新应用开辟新思 路。 1 5 论文的研究方法 本论文采用流体力学理论分析、工程计算、三维c f d 数值模拟与实验研究 7 章威军硕士学位论文第一章绪论浙江大学流体工程研究所 相结合的研究方法，研究中的各个过程交替进行。本论文研究过程包括了利用阀 门基本原理创新设计多孔配流板的结构尺寸，对调节蝶阀产品模型进行大量数值 计算和实验研究，及后期结果的分析讨论，具体包括： l 、前期模型的设计：以流体力学中伯奴利方程导出的阀门流量控制方程为 基础，以及配合其他阀门设计经验公式完成前期模型的初步设计。 2 、 中期的数值计算：采用置g j r 一占三维湍流模型 1 9 , 2 0 】和非结构化网格 2 qs i m p l e 的方法，对模型进行大量的数值计算。 3 、后期的实验研究：搭建专门的实验台，配以各种高精度的测量仪器，对 阀门模型进行流量特性的实验分析。 4 、产品模型的扩展设计：设计完成一个标准口径的线性流量特性蝶阀后， 利用几何相似原理【2 2 j 进行扩展口径的设计，研究出其他通用口径的线性 特性调节蝶阀。 5 、研究成果的创新应用：提出智能流体控制阀的概念，并且进行实验测试 取得部分成果。 1 6 论文的主要创新点 本论文采用理论分析、工程计算、数值分析与实验研究各个过程交替进行的 研究过程，创新研究了线性流量特性的调节蝶阀。论文的主要创新点： 1 、工程经验公式与c f d 数值分析有机结合，创新研究开发了一种多孔配流 板的设计计算方法。 2 、将多孔配流板直接配装在普通电动蝶阀的阀板上，采用埘忧k 一占三维湍 流模型【1 9 列和非结构化网格【2 l l s i m p l e 方法，对阀门模型进行了大量的 数值计算，研究开发成功一种具有线性特性的调节蝶阀。 3 、设计搭建了配有各种高精度测量仪器的专门实验台，对阀门产品模型进 行了实验研究。 4 、计算与实验相结合的方法成功研究开发了常用口径的线性流量特性蝶阀 后，利用几何相似准则进行了扩展设计，研究出其他更加通用口径规 格的线性调节蝶阀。 章威军硕士学位论文 第一章绪论 浙江大学流体工程研究所 5 、首次将线性调节蝶阀创新应用于智能流体控制阀的范畴，得到了一种智 能流量平衡法和智能电动动态平衡阀门，并进行了实验测试，取得了初 步成果。 9 章威军硕士学位论文 第二章基本原理分析浙江大学流体工程研究所 第二章基本原理分析 2 1 调节阀工作原理 调节阀是一个局部阻力可以变化的节流元件，通过改变通流面积来调节流 量。由流体力学伯奴利方程和连续性方程可以导出控制阀的流量方程【7 】： 堡+辨兀：c(妒)2 、， ( 2 1 1 ) 公式( 2 1 1 ) 首先由伯奴利在1 7 3 8 年导出称为伯奴利积分公式，c 舻) 称为伯 奴利常数。 在不可压缩定常重流体假设下： n 一锯2 号，以g z 根据( 2 i 1 ) 式，我们可以推出： 丢素- c ( ) 叫) 儿流体速度 p ：流体压力 其中：g ：重力加速度 功流体密度 z ：流线距参考平面高度 在理想状态下流体从管道1 点流到管道2 点是不会有能量损失的，如图2 1 1 所示矧，流体在同一流线的伯奴利常数不变： 关+ 毛+ 导：关+ 毛+ 冬 ( 2 1 3 ) 2 9 j p g 2 9 1 p g 、- j 。 在实际管道流过程中，由于摩擦力的存在总会有一定的机械能转化为热能而 消耗，如图2 1 2 所示嘲，从而使机械能量产生变化，因此实际流体的伯奴利方 程为： l o 章威军硕士学位论文 第二章基本原理分析 浙江大学流体工程研究所 图2 1 1 理想伯奴利方程式图解 r 叫 l 鲁 h 、叫毒 、 卜茸 堪y 老 i 岛 ， l 每 i l i l2 图2 1 2 实际伯奴利方程式图解 善+ 弓+ 嚣= 善+ 毛+ 惫+ 耳 川 4 = 轰瓦v 2 阻6 ) 矿：1 f 兰( 卫= 趔 压纠名一 呦 妒肌矗户 一 章威军硕士学位论文 第二章基本原理分析 浙江大学流体工程研究所 戤亿1 刀帕寿志贶 妒南c 严 叫， 式中 ：直径比，收缩处截面等效直径与管道截面直径比 c ：流出系数，同一阀门在一定情况下固定不变 脒詹都1 肿缸2 意正则： q = 慨掺 叫) 式中 民：流量系数 n ：工程单位系数，在方程( 2 1 9 ) 中各项采用不同单位时，n 取不同值，在 特定单位下可以取1 【“。 2 2 调节阀流量特性分析 2 2 1 流量系数定义 流量系数( f l o wc o e f f i e i e n t ) 嬲l - f1 1 “】： 国际单位制( s d ：5 4 0 4 的水，在1 0 0 k p a 的阀两端压差，每小时流过调节阔 的立方米数，用j 0 表示。 当式( 2 1 9 ) 中各项单位如下时： q ：体积流量单位用h 卸：阀两端压差，单位b a p ：流体密度单位g e r a 3 n 取值1 ，推出流量系数墨。计算公式如下： 章威军硕士学位论文第二章基本原理分析浙江大学流体工程研究所 瓦- q 参 ( 2 2 1 ) 2 2 2 流量特性的基本概念 调节阀的流量特性是指流体通过调节阀的相对流量与阀门相对开度之间的 关系，可以表示为p 搿1 ： g = 芒= 厂( 砉h ， 蚴， 式中：x 、x ：阀门开度、阀门最大开度 q ：阀门流量、阀门最大流量 如果假设调节阀两端压差保持恒定不变， 此时的流量特性称为固有流量特性。在实际工 作时，阀两端的压差是在不断的变化，这种情 况下我们称为阀门的工作流量特性。固有流量 特性有许多种，比如线性特性、等百分比特性、 抛物线特性、双曲线特性、快开特性和桑德尔 专利特性【2 6 l 等等，如图2 2 1 所示： 大多数调节阀都是属于直行程的类型，直 行程i ”】调节阀对执行器要求非常高，且结构复 杂，体积庞大。 本论文所研究的调节阀是角行程类型的阀 门，基于蝶阀开发。如图2 2 2 是部分角行程阀 流量特性曲线，显然普通蝶阀属于接近快开的 调节特性，不适合线性或者等百分比调节。 2 2 1 固有流量特性曲线图 图中曲线的符号： 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 - - 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； 兰堕兰堡主兰堡堡塞第二章基本原理分析浙江大学流体工程研究所 图2 2 2 部分角行程阀门的流量特性 2 2 3 线性流量特性 线性流量特性是指阀门相对流量与阀门相对开度之间成直线关系。也就是 说，单位开度的变化与单位流量变化的比值一定。即： d 旦 导= 尼 ( 2 2 3 ) 以。 式中k 为常数，对两边积分： p 毛= 弘毛 暑= + c ( 2 2 4 ) q o ”一 式中c 一积分常数。 边界徘妻：芝善荒 妣c = 老小t 一叁 令r = 磬，由式( 2 2 4 ) 推出 1 4 章威军硕士学位论文第二章基本原理分析浙江大学流体工程研究所 旦：盟土+ 土 r 。r ( 2 2 5 ) 式中r ：线性调节阀门的可调比【2 3 】，即调节阀所能控制的最大流量和最小流量 之比。 这里要注意的是q o 是指阀门可调节的最小流量，并不是阀门全关时的泄漏量。 线性流量特性调节阀无论在哪个开度下，如果开度相对变化量一定，则流量 相对变化量也一定例，如表2 2 il q 。 表2 2 i 线性流量特性调节阀相对开度与相对流量关系( r = 3 0 ) 相对开度( ，)o l o2 03 04 05 06 07 08 09 0 1 0 0 相对流量( )3 3 1 3 o2 2 73 2 34 2 o5 1 76 1 37 1 o8 0 7 9 0 31 0 0 调节阀的工程设计过程中流量系数是一项重要技术参数。流量系数代表着调 节阀通流能力的大小。阀门的流路结构、流路形式、调节阀类型等综合因素是影 响阀门流通能力的特征参数。因此，本论文主要讨论的是流量系数相对变化量与 阀门开度相对变化量的关系。 将式( 2 2 1 ) 代入式( 2 2 5 ) ：一r - i j l + 上 r k r ，r h4 以、段、五：当开度为朋寸的压差、流体密度、流量系数。 “”卸。、冠：当开度为y 二时的压差、流体密度、流量系数。 固有流量特性是指阀门两端压差保持不变且流体为不可压缩定常运动，有关 系式： 卸l = 卸、p l = p 。 因此可以推出： 譬：r f - i 善_ + 丢 ( 2 卸 k 。 rx r 、 章威军硕士学位论文 第二章基本原理分析渐江大学流体工程研究所 k k 。 x 瓦。 相对流量系数。 ：相对阀门开度。 2 3 湍流模型和湍流数值计算 2 3 1 湍流的概念 粘性流体运动有层流和湍流两种截然不同的运动形式，湍流是自然界和工程 中十分普遍的流体运动形式，无论是江河湖泊、大气运动，还是管道流动，大多 数情况下都属于湍流运动形式1 2 9 】。因此对湍流运动的研究是十分必要的。 由于湍流运动的复杂性，到现在还没有一个公认的定义能够全面描述湍流的 所有特征。不过目前的普遍观点是：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。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。在湍流的研究中，人们大多数围绕雷诺方程进行，主要方式有统计理论和半 经验理论，后者发展成为湍流模式理论。 湍流统计理论重点研究湍流的脉动结构，通过建立不同随机量之间的关联函 数并求解，得到随机变量的统计特性，以次了解湍流的内部结构，掌握湍流平均 流动各量的空间分布与时间演变的情况。 半经验理论主要研究湍流时均流的运动规律，该理论不考虑脉动场的结构问 题，因此存在理论上的缺陷。但是它能够给出许多具有工程实际应用中所感兴趣 的物理量，因此具有很强的工程应用价值。 湍流模式理论由半经验理论发展而来，半经验理论也称为一阶封闭模式，这 种模式往往对复杂的流场无能为力，因此需要引进高阶封闭模式，也就是湍流模 式理论。比较常用的有雷诺应力模式、代数应力模式、湍流动能方程模式等【7 一。 1 6 章威军硕士学位论文 第二章基本原理分析浙江大学流体工程研究所 2 3 2r n g c 一占湍流模式 在不可压缩流体的情况下，对n - s1 7 】方程进行时均化运算后，我们可以得到 湍流平均运动的雷诺方程( 2 3 1 ) 。 盟+ u 盟：一! 垒+ y ! 生+ 三堡型塑 乱 i 瓠i pa x | 瓠i a ) c j p 瓠j 丝+ 塑+ 一g q w ：0 彘砂 出 ( 2 3 1 ) 通过和连续性方程联立成方程组，该方程组是不封闭的。一p u l u y 称为雷诺 应力，也正是由于这一项是方程无法封闭。因此认为围绕雷诺方程，试图通过一 些假设和实验建立雷诺应力和平均速度之间的关系从而建立封闭的方程组( ”1 。 r n g c s 三维湍流模型p o 驯是y a k n o t 与o r s z a g 应用重整化群印弘3 q 的方 法，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 玎= j 喜而形成的一个湍流模式，数学形式如下【3 6 1 ： 警+ 掣2 毒l c 拳考j + 最吖 力 争掣2 毒 c p + 考 + q 丑量一g 譬一定 c 2 删 最= 2 v , s 一口s o 瓦= 糖+ 割 最一湍动能k 的产生项 写一应交率张量 r ：鱼翌( ! 三z ! 型 1 + p 开i k 彳= ( 2 岛瓯y ”：k r 为g 方程中的附加源项 万一湍动时间与应变尺度的比值 1 7 章威军硕士学位论文第二章基本原理分析 浙江大学流体工程研究所 r o = 4 3 7 7 ，口= o 0 1 5 c u = 0 0 8 4 5 ，g = 1 4 2 c 2 = 1 6 8 ，吼= 0 7 1 9 4 t r , = 0 7 1 9 4 r n g i r s 模型在形式上类似于k 一占模型，但是在工程实际应用中比k s 模 型更加准确。与k 一占模型相比较主要由以下一些不1 3 7 1 ： 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 、标准后一占模型是一个高雷诺数的模型，而r n g t c 一占模型在对近壁区进 行适当处理后可以计算低雷诺数效应。 2 4s i m p l e 计算方法 c f d 的关键是将计算区域数值离散化，实质上就是用一组有限个离散节点 来代替原来连续的空间区域。一般过程是：把计算区域划分成多个互不重叠的子 区域，确定每个子区域的节点位置以及该节点所代表的控制容积。 应用控制容积积分法导出离散方程的主要步骤如t p s i ： 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。 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 t m 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 ) 。这种方法是p a t a a k a r 和s p a l d i n g 在1 9 7 2 年提出的p ”，其基本计算步骤如下p s l ： 1 、假定一个速度分布，记为矿，v 0 ，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 ； 1 8 章威军硕士学位论文 第二章基本原理分析浙江大学流体工程研究所 3 、依次求解两个动量方程，得“，v ； 4 、求解压力修正值方程，得口； 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，并用改进后的压力 场作为下一层迭代计算的初值，重复上述步骤，直到获得收敛的解。 2 5 调节阀的实验研究 流体力学的实验研究和理论分析是研究流体运动的两大主要手段，实验研究 对理论分析的结果具有最后的验证作用，流体运动的研究中实验流体力学一直占 着举足轻重的作用。随着科技的不断进步，各种先进的仪器投入到流体运动的研 究中，对流体运动的研究做出了积极的贡献，任何理论的创新都必须有实验的验 证。 为了能对每一个合理的计算模型进行实验测试，我们特意搭建了一个专门配 置高精度流量测量和压差测量的阀门特性试验装置，实验台的大致示意如下图。 实验中的管道采用普通水管，水箱中的水经过滤后利用变频水泵输配到被测 调节球阀。在被测阀门前安装高精度超声波流量计，用来测量通过调节蝶阀的流 量值，并配有玻璃转子流量计用以校验超声波的测量精度。商精度压差传感器与 被测调节蝶阀相并联，用来测量调节阀前后的压差值。阀门通过电动执行器驱动， 控制电信号大小以精确调节阀门开度。在不同的球阀阀芯开度( 行程) 下，通过 改变变频泵的电机频率、并适度配合调节闸阀( 我们采用普通闸阀进行节流) 的 开度，使被测阀门两端的压差a p 和通过阀门的流量发生变化，利用计算机快速 数据采样和信号处理，得到阀门不同开度下通过调节球阀( 被测量对象) 的流量 q 、压差p 的实验值 试验中流量传感器采用超声波流量计，经过标定后测量误差0 5 ，微压差 传感器测量精度1 ，数据采样精度不超过o 1 ，根据误差理论进行定量分析， 我们所设计的调节阀试验装置j 0 测量值的综合误差不会超过2 。 童堕星卿主堂璺论文 第二章基本原理分析 浙江大学流体工程研究所 整理实验中测得的流量和压差数据后，计算出实验流量系数和相对流量系 数、相对阀芯开度。 图2 5 1 实验台示意图 章戚军硕士学位论文第三章线性调节蝶阀的研究与开发 浙江大学流体工程研究所 第三章线性调节蝶阀的研究与开发 3 1 线性调节蝶阀的设计开发 根据式( 2 1 8 ) 有关系式q 2 l a c 沪字。我们可以发现m ，在研究 调节阀固有流量特性时，影响调节阀流量q 的主要因素是调节阀通流面积a 、 调节阀流出系数c 、及参数l 一卢4 。 1 、调节阀的流出系数c ：在阀门结构、管道形式及流体介质确定的情况下 流出系数c 值基本保持不变。 2 、参数1 一：代表收缩处截面等效直径与管道截面直径比，整个参数 值基本接近于1 ，在对调节阀流量的影响上可以忽略。 因此，调节阀有效通流面积a 的设计开发成为了调节阀流量特性设计开发 过程的关键，也是整个设计过程中的难点。 我们在具体的设计过程中已经注意到： 1 、有效通流面积a 并不完全等同于投影面积通流面积。 2 、有效通流面积a 设计中，不仅在调节阀全开的情况下要符合我们的设计 目标，而且更重要的是在阀门旋转过程中逯流面积的变化规律要符合我 们的设计目标。 章威军硕士学位论文 第三章线性调节蝶阀的研究与开发浙江大学流体工程研究所 3 2 模型一的数值计算与实验研究 3 2 1 模型一的结构设计与建模 本论文在线性调节阀的设计开发过程中经历了多次坎坷，限于篇幅的原因， 我们只阐述3 个模型的结构设计与建模过程。 图3 2 1 模型一无孔配流板蝶阀图3 2 2 模型一计算蝶阀模型 模型一的设计结构和几何建模如图3 2 1 所示，通过在普通蝶阀的蝶板上加 上两块对称的u 形配流板，配流板上不设置配流孔。蝶阀的通径我们选择了d n 8 0 口径为基准。在这个模型的设计开发中，我们主要依靠对阀门的通流面积的经验 公式计算，及我们以前在阀门设计中所积累下 的经验计算得出。 3 2 2 模型一的数值计算 现对图3 2 1 所示的产品模型进行数值分 析，数值计算的基本计算模型如图3 2 2 所示， 配流板上没用设置配流孔。将上述模型结构进 行三维湍流流动的数值计算。 数值计算的第一步就是对计算区域的离 散化。网格大致划分方法如图3 2 3 和图3 2 4 图3 2 3 管道断面网格示意图 章威军硕士学位论文第三章线性调节蝶阎的研究与开发 浙江大学流体工程研究所 所示： 在阀两边管道中我们使用六面体网格，在阀门部分对某些线条加密后采用四 面体自适应网格技术。在后面所有的数值计算中，我们基本都采用这种方式划分 图3 2 4 轴向网格示意图 网格，最后计算结果和实验结果的对比中证明这种网格划分方式是比较合理的。 三维湍流数值模拟过程如下： 湍流模式选择：粘性r n g t c 一占模型。 计算方式：s i m p l e 一阶迎风方式。 计算流动区域：标准孔板前5 d 至其后1 0 d 的流动区域。 边界条件：采用速度入口( v = l m s ) 和充分发展的出口边界条件。 收敛判据：连续性方程、x 速度、y 速度、z 速度、k 及的残差均低于0 0 0 1 。 模型一进行t a 种阀芯开度下的数值计算，分别在开度x 为：1 0 、0 9 、0 8 、 0 7 、0 6 、0 5 、0 4 、0 3 时。 为了对计算结果进行分析，首先我们做的是对计算模型的图形进行分析，如 图3 2 5 和图3 2 6 所示为模型一管道轴向截面速度云图和矢量图；图3 2 7 所示 为模型一阀前后实验压差测量点平面压力图。 塑墨堡主些论文 第三章线性调节蝶阔的研究与开发 浙江大学流体工程研究所 o 图3 2 5 模型一：管道轴向截面速度矢量图 图3 2 6 模型一：管道轴向截面zv e l o c i t y 云图 阀前压力云图阀后压力云图 图3 2 7 模型一：阀前后测量点平面压力图 章威军硕士学位论文第三章线性调节蝶阀的研究与开发浙江大学流体工程研究所 从图3 2 5 和图3 2 6 中我们可以看出，速度在管道中的分布结果是符合实际 流动情况，从图3 2 7 中我们可以看出整个截面的平面压力值基本没有变化，我 们确认在实验研究过程中管道截面压力以点压力来代替整个平面平均压力值是 合理性。 我们将对数值计算的结果进行分析。 q = 3 6 0 0 等v = 3 6 0 0 x 半x l = l s o 啪办 模型一的八种计算的详细数据如表3 2 1 所示： 袭3 2 1 模型一数值计算结果 开度x 流量( m 3 h ) 阀两端压差( k p a ) 1 01 8 0 94 8 0 o 9 1 8 0 95 6 8 o 81 8 0 97 8 4 o 71 8 0 91 0 7 0 o 61 8 0 91 3 5 9 o 51 8 0 91 6 2 1 o 41 8 0 92 9 0 3 0 31 8 0 98 5 6 9 根据公式2 2 1 ，我们定义相对流量系数： k = 每舻石x 则： ， r 一11 k 2 t x + 一r 式中七坩一相对流量系数 。广相对开度 模型一计算流量系数和相对流量系数计算如表3 2 2 ( 3 2 1 ) 章威军硕士学位论文第三章线性调节蝶阀的研究与开发浙江大学流体工程研究所 表3 2 2 模型一：计算流量系数和相对流量系数 开度x 流量系数相对流量系数k 1 o8 2 5 71 o o o 97 5 9 0o 9 2 o 8 6 4 6 1o 7 8 o 75 5 3 00 6 7 0 64 9 0 70 5 9 0 5 4 4 9 4 0 5 4 o 43 3 5 70 4 1 o 31 9 5 40 2 4 对数值计算的结果数据进行曲线拟合，以x 为自变量，k 为因变量，回归拟 合函数的形式为【9 l ： k = a + b x 其中a , b