一种新型智能流量控制阀的研究.pdf

2 0 1 1 年第 3期 工业仪表与自动化装置 1 0 9 一 种 新 型智 能 流 量 控 制 阀 的研 究 罗驰 ， 麻剑锋 ， 沈新荣 ， 周金跃 ， 章威军 1 ．浙江大学 流体 ．X - 程研究所 ， 杭州 3 1 0 0 2 7 ； 2 ．杭 州哲达科技股份有限公 司， 杭州 3 1 0 0 1 2 摘要 阐述 了一种新型智能流量控制 阀的设计方法、 数值计算和 实验验证过程。利用加权面积 方法设计了配流板 的通流面积 ， 并用数值模拟的方法 ， 计算和分析 了阀 内流体的压力、 速度 场的分 布 以及阀门阻力系数的变化 。最后搭建实验平 台， 验证 了阀门的流量特性。结果表 明加权 面积 法 适 用 于新 型 智能 流量控 制 阀的设 计 。 关键词 配流板 ； 线性特征 ； 加权流通面积计算 ； 数值模拟 ； 实验研究 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 2 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 0 0 6 8 2 2 0 1 1 0 3 0 1 0 90 4 Th e r e s e a r c h o f a ne w i nt e l l i g e nt flo w c o n t r o l v a l v e L U O C h i ， MA J i a n f e n g 2 ， S H E N X i n r o n g ， Z HO U J i n y u e ， Z H A N G We i j u n 1 ． I n s t i t u t e o fF l u i d E n g i n e e r i n g R e s e a r c h ， Z h e j i a n g U n i v e r s i ty， H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 C h i n a ； 2 ． H a n g z h o u Z E T A T e c h C o ． ， L t d ． ， H a n g z h o u 3 1 1 2 ，C h i n a Abs t r ac t I l l us t r a t e t h e d e s i g n me t h o d， n ume ric a l s i mu l a t i o n a n d e x p e rime n t p r o c e s s o f a n e w t y p e o f i n t e l l i g e n t c o n t r o l v a l v e ．Th e flo w a r e a o f v a l v e i s de s i g ne d b y us i n g we i g h t e d a r e a me t h o d．Th e p r e s s u r e， v e l o c i t y di s t r i bu t i o n a n d t h e r e s i s t a nc e c o e f f i c i e nt i s c o mp u t e d a n d a n a l y z e d b y t h e n u me ric a l me t h o d． Th e e x pe r i me nt a l b e nc h i s ． s e t u p a nd t he flo w c h a r a c t e r i s t i c i s v a l i d a t e d．Th e r e s ul t s s h o w t h e we i g ht e d a r e a me t h o d i s s u i t a b l e f o r t h e de s i g n o f i n t e l l i g e n t c o n t r o l v a l v e． Ke y w o r d s a d j u s t me n t p l a t e ； l i n e a r f e a t u r e ；w e i g h t e d fl o w a r e a ；n u me ri c a l a n a l y s i s ；e x p e r i me n t i n v e s t i g a t i o n 0 引言 目前 ， 在钢铁工业等行业的循环水系统 中， 节能 增效的一个最主要 的方法就是调节管 网水力平衡。 调节水力平衡要求管 网每一条 支路都达到设 计流 量 不欠流、 不过流。 目前常见 的机械式流量控制 阀 普遍存在控制精度低 ， 内部结构复杂 ， 成本较高等问 题 。该文所研究 的智能流量控制阀采 用 C F D数值 分析与实验相结合 的方法进行设计 ， 结果表明， 该流 量控制阀具有流量控 制精度高、 机械结构简单 等优 点 ， 可直接应用于工程实践。 1 智能流量控 制阀结构及 工作原理 蝶阀的通流能力大 ， 不易堵塞 ， 因此文 中采用在 蝶阀的基础上加设配流板 的方式设计智能流量控制 阀。其结构如图 1所示 由蝶阀、 配流板 、 压力传感 收稿 日期 2 0 1 01 12 2 作者简 介 沈新荣 1 9 6 8 ， 男 ， 浙江杭州人 ， 研究员 ， 博士 ， 主要 从事智能流体控制阀门的研究开发和教学工作。 器 、 P I D控制器和执行器组成。压力传感器实 时测 量 阀门两端 的压差值 △ ， 并发送到控制器 ， 控制器 根据式 1 计算出阀门开度 ， 然后将控制信号发送 给执行器 ， 由执行器转动阀杆 ， 调节阀板开度⋯。 图 1 智能流量控制阀 忐 1 l 0 业仪表与自动化装置 2 0 1 1年第 3期 式中 q 为设定流量 ； K 为当阀门开度最大 ， 阀门 两端压差为 11 0 P a时， 通过 阀门的流量 ； L是 阀 芯行程。 ／ ， 、 r 当 满足式l厂 f 。 b 时， 阀的流量特 ＼ ／ m ax， ，J ma 性为线性 。 在电动控制 的产品中， 具有 良好线性调节特性 的产品将简化控制器编程 ， 加快调节速度 ， 提高调节 精确度。阀门的流量特性 主要取决于 阀芯 的结构 ， 因此 ， 对阀芯进行合理机械结构设计 ， 是智能流量控 制阀获得线性特性 的关键 。 2 阀芯计算模型与边界条件 阀门阀 是 由普通蝶阀阀板加设一个环状配流 板构成。配流板可以改变阀内流场分布 以获得所希 望的线性特性 J 。环状配流板 的形状 和安装 位置 如图 2所示。就设计形状 而言 ， 此环状 配流板结构 简单 ， 加工方便 ， 而且易于安装 ， 不易结垢 。确定配 流板几何结构 的参数有 3个 小 圆半径 r l 大圆半径 r ， 配流板厚度 b 。该文将根据 以上 3个参数 ， 设计 具有线性流量特性的阀芯结构 。 2酉 流 板 模 型 2 ． 1 加权通流面积计算 阀门的流量 系数与 阀门的通流面积 直接相关 ， 而上述模 型 中通流 面积 又与配流板 的结 构直接相 关 ， 因此 阀门的 3个结构参数决定 了阀门通流面积。 用修正后的加权通流面积计算公式 2 ， 可得 某开度下的加权通流面积 。 A 胖 1 [ 一 ㈦ 2 式 中 为平推流的权重系数。 根据计算 流体介质的雷诺数 R e约为 1 e 5， 由公式 0 ． 3 9 9 7 70 ． 0 4 2 6 2 1 g R e 可计算得到 0． 1 8 6 6 7。 文中列 出的算 例 中采用 的管道 均为 D N 8 0口 径 。图 3 、 图4是 r 。 ， r ， b取不同值 时蝶阀相对通流 面积随相对开度变化的曲线。 l 0 0 O 6 0 -4 0 2 0 O 0 - 2 0- - ⋯ 06 O 8 1 0 L | L t l l a x 图 3 不 同 r 、 r 模型的对 比 图4 不同b值模型的对比 经过对多组不同 r 、 r 数据模型对 比计算 ， 筛选 出一组较理想的模型参数 ， 如表 1所示 。 表 1 DN 8 0模型 参数单位 mm 尺 l 2 b 4 0 l 3 2 9 2 6 以此 D N 8 0模型为例 ， 进行数值模 拟和实验研 究的， 并对比加权通流面积 、 计算结果和实验结果 者之间的关系。 2 ． 2 数值计算 采用1 程中应用 比较广泛的 R N G k i维湍 流模型和非结构化 网格 的 S I M P L E方法 ， 对不同 阀门开度 、 不同来流速度条件下的阀门 内流场分 布进行 了数值模 拟。入 口采 用速度入 口边界调节 ； 出口采用 自由出流边界调节。收敛条件为速度和湍 流的残差值均小 于 0 ． 0 0 0 1 。采用四面体 网格对 阀 门进行 网格剖分 ， 阀 门开度 9 0 。 条件下 的 网格划分 2 0 1 1 年第 3期 工业仪表与 自动化装置 如 图5所示 ， 网格数约 7 0万。 图5 阀门开度为 9 0 。 时的网格划分 开度为 9 0 。 时 ， 轴 向速度矢 量分布 云图如 图 6 所示 ， 阀板两侧速度呈对称状态分布 ， 阀门内流速度 分布合理 。 一0 ． 0 5 0 0 ． 0 2 5 o o ． 0 2 5 o ． 0 5 0 y 图 6速度 矢量 图 通过对阀门前 2 D后 5 D的管道截断面的压力场 和速度场进行后处理分析 ， 得到截面压力 如图 7所 示 ， 截面速度如图 8所示。图中显示 ， 所取 的压力面 上各点压力十分接近 ， 截面内压力场处于稳定状态。 图7 截面压力等值线图 图8 截面 y向速度等值线图 由于实验时的压力传感器在安装 阀门的法兰段 上， 为了模拟真实情况， 数值模拟的压力取值点在阀 前后 1 0 0 m m的截面处， 取截面压力的平均值计算压 差， 然后根据式 Q K 、 ／ ／ 计算出各开度下的 值。根据 D N 8 0调节 阀的数值模拟结果和 K ／ K 坶 和 L ／ L 的计算结果， 可以得到 D N 8 0模型 的理想流量 特性曲线 ， 如图 9所示。 l O 0 ． 8 0 ． 6 0 4 O l 2 O ．2 o ． 4 o ． 6 o ． 8 1 ． o 三 ⋯ 9 D N8 0模 拟 流量 特性 衄线 结 合 式 K ‘ ， ， 可 以 拟 合 出 理 想 流 量 特 性 的 数 学 函 数 忐 。 拟合数据 ， 得到 D N 8 0模型 的数值模 拟流量 特 性公式如下 Kv 老 ．3 4 L o 一 2 6 3 3实验验证与流量特性的确定 实验装置采用了高精度 电磁流量计、 电动阀门 执行器 、 高精度压差变送器等设备。实验装置示 意 如 图 1 0所示 水箱 离心 泵 电磁流 量计 调节 阀 图 1 0 流量特性测试实验装置 实验步骤 阀门起始位置为全开 开度 1 0 0 ％ ， 记录电磁流量计和压差变送器的值。从计算机发送 控制信号改变 执行 器行程 ， 减小 阀门开 度至 9 5 ％， 再次记录流量和压差。每减小 5 ％开度就记录一 次， 直到开度达到 2 0 ％。由于蝶阀的特性， 当开度 小于 2 0 ％ ， 流量相对较小 ， 所以只记 录 2 0 ％ ～1 0 0 ％ 开度之间的数据。D N 8 0模 型的实验结果在表 2中 1 1 2 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 1年第 3 期 列 出 。 表 2 DN 8 0模 型实验结果流量 m ／ h 压差 b a r 拟合数据 ， 得到 D N 8 0实验流量特性公式如下 KV f 1 ． 2 5 7 2 1 2 4 对比式 3 与式 4 ， 取开度为 0～1 ， 最大误差 为 0 ． 0 5 3 。可见误差在可接受范 围之内 J 。 将 D N 8 0模型 的数值模拟 流量特性 曲线 、 实验 测量流量特性 曲线和普通蝶 阀的流量特性 曲线进行 比较 ， 结果如图 1 1所示 。 L， ， J 图 1 1 D N 8 0模型流量特性曲线对比 由图 1 1 可知 ， 环状配流板使蝶 阀的流量特性 曲 线在大开度下斜率增大 ， 改善 了普通蝶阀在 大开度 范围调节时流量变化缓慢 的缺点 。同时， 维 持了蝶 阀在小开度范围调节时较好的线性流量特性 。数值 模拟和实验所得的流量特性曲线线性度都较好 ， 相 互之问差值较小 ， 这说明以通流面积曲线作为参考 ， 设计蝶阀配流板 的可行性 。也说明了环状配流板 ， 可以使普通蝶阀获得线性 的流量特性 。 4 结论 该文介绍了利用加权通流面积公式对一种环状 配流板进行优化设计 的方法 ， 此种环状配流板不仪 加工制造较为简便 ， 同时还具有便于系列化 的优点。 对于不同口径 的蝶 阀， 只需调整 r ， r ， b二 三 个参数 ， 使蝶 阀的通流面积在大开度条件下的变化率增大 ， 就可以实现 比较理想的线性流量特性 。 设计 了 D N 8 0口径 、 环状配流板蝶 阀模 型 ， 并进 行 了验证 ， 结果表 明该模型同样具有较好的线性流 量特性。这说明通流面积 的设计方法 ， 适用于各种 口径的阀门。 参考 文献 [ 1 ] 黄坚． 自动控制原理及其应用[ M] ． 北京 高等教育出 版社 ， 2 0 0 1 ． [ 2 ] K a b i r M A，K h a n M， B h u i y a n M A ．F l o w p h e n o m e n a i n a c h a nn e l wi t h di f f e r e n t s h a p e d o bs t r uc t i o ns a t t he e n t r a n c e [ J ] ． F l u i d D y n a mi c s R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 3 5 6 3 914 08． [ 3 ] 潘康． 控制蝶阀调节特性的研究[ D ] ． 杭州 浙 T大学， 2 0 08． [ 4 ] 单力钧． 流体管网系统的水力平衡优化研究[ D] ． 杭 州 浙江大学 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ] 王福军． 计算流体动力学分析 C F D软件原理与应『 { { [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 6 ] 明赐东． 调节阀计算选型使用[ M] ． 重庆 成都科技大 学 出版社 ，1 9 9 9 ．