自力式温控阀流场的数值模拟及优化.pdf

F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ． 4， 2 01 0 文章编号 1 0 0 5 - - - 0 3 2 9 2 0 1 0 0 4 0 0 2 8 0 4 自力式温控阀流场的数值模拟及优化 何世权 ， 李斌 ， 翟鹏程 ， 林建， 徐德怀， 苏燕 兰州理工大学 ， 甘肃 兰州7 3 0 0 5 0 摘要 以自力式温控阀为研究对象， 应用 C F D软件对其内部流场进行了三维数值模拟， 找出温度场分布的不足之处 并加 以优化 ， 结果表明在感 温包 中部加设节流挡板能够使其周 围温度场均匀准确 ， 更有利于温控 阀对流体温度的精确控 制 。 关键词 温控阀 ； 数值模拟 ； 优化 中图分类号 T K 3 2 5 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 0 7 Nume r i c a l S i mul a t i o n a n d Opt i mi z a t i o n o f t h e Fl o w Fi e l d o f t h e Se l f Ope r a t e d Th e r m o s t a t i c Va l v e HE S h i q u a n， L I B i n， Z HAI P e n g c h e n g， L I N J i a u， XU D e h u a i ， S U Ya n L a n z h o u U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L a n z h o u 7 3 0 0 5 0 ， C h i n a Ab s t r ac t A t hr e e di me n s i o n a l n u me r i c a l s i mul a t i on wa s p e r f o r me d o f t h e i n t e r n a l flo w fie l d o f a s e l f o pe r a t e d t h e r mo s t a t i c v a l v e u s i n g c o m p u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s C F Ds o f t w a r e ， t h e b u g o f t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n w a s d i s c o v e r e d a n d a m e l i o r a - t e d ．I t i s c o n c l u d e d t h a t a d d i n g a b a f fl e i n t h e mi d d l e o f t h e t e mp e r a t u r e w r a p c a n ma k e t h e t e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n u n i f o rm a n d a e c ur a t e， i t i s b e n e fic i a l t o c o n t r o l t h e flo w t e mp e r a t u r e a c c u r a t e l y． Ke y wo r dst he rm o s t a t i c v a l v e；n ume r i c a l s i mu l a t i o n；o p t i mi z a t i o n 1 前 言 自力式温控阀是一种全 自动的流体温度和流 量控制装置。它的作用是当两种温度不同的流体 分别通入阀腔， 通过温控阀内件 自动调节两者的 流量 ， 使出口温度保持恒定， 而无需外加驱动和控 制装置。作为一种新 型阀门 ， 温控 阀在我国的应 用 日益广泛 ， 主要应用于 电站发 电机组 和离心压 缩机组等大型的高速回转机组的轴承润滑冷却系 统以及其它对流体有温度控制要求 的系统中， 它 具有结构简单 、 性能可靠和节能等优点。 用于自力式温控 阀的感温 元件 有不 同的类 型， 如形状记忆合金 。 、 双金属 片等， 但是 目前 较多采用的是蜡质感温元件 。迄今 ， 国内外对 采用蜡质感温元件的自力式温控阀多从感温包和 机械结构的角度进行分析研究 J ， 而很少应 用 数值模拟软件对温控阀的流道温度场分析。本文 应用 C F D软件 F L U E N T对某型号的温控阀进行 数值模拟 ， 对其温度场进行详细的分析， 以及对流 道进行优化 ， 使其能够更好地发挥恒温控制的作 用 。 2 自力式温 控 阀的结构 及工 作原理 某一型号 自力式温控 阀的结构如 图 1 所示。 感温包是核心部件 ， 它既是流体的感温元件， 又是 阀门的驱动元件， 由感温蜡与铜沫混合物组成 ， 其 中铜沫主要起导热作用， 可使感温包内、 外的热量 快速传递及均匀分布。驱动力基于温度升高时蜡 熔化的体积膨胀。感温蜡的体积变化被锥形橡胶 键放大 ， 并传给阀杆 ， 改变调节筒的位移量 ， 进而 改变冷热流体的流量 ， 直到达到预定温度。感温 蜡与橡胶键之间设有一层橡胶隔膜， 起隔离作用 。 该 自力式温控阀为三通 阀， 两进一出。热流 收稿 日期 2 o 0 9 0 7 1 O修稿 日期 2 0 0 9 1 O O 9 基金项 目 甘肃省 自然科学基金 0 8 0 9 R J Z A 0 0 8 ； 兰州理工大学博士基金 B S 0 5 2 0 0 0 9 0 7 2 0 1 0年第 3 8卷第 4期 流体机械 2 9 体首先进入温控 阀 此时冷流体通道还处于关 闭 状态 ， 通过调节简 内腔流经感温包 。当感温包 感知热流体 的温度高于设定温度值 时， 其内填 的 感温蜡发生相变 ， 体积膨胀 ， 通过推动阀杆使调节 筒产生位移 ， 同时打开冷 流体通道 热流体通道 变小 ， 于是冷流体流人 温控 阀， 并与热流体进行 混合。冷 、 热流体混合后 ， 还要经过一小段空腔才 到达感温包 ， 通过热交换温度达到一定值后 ， 混合 流体再经过感温包与温控阀出 口之 间的空腔室 ， 最终流出温控 阀。反之 ， 当混合流体温度 随着冷 流体与热流体的混合而下降时 ， 感温蜡体积收缩 ， 在复位弹簧的作用下快速关小冷流体进 口通道 ， 开大热流体进 口通道 ， 保证混合后 的流体温度始 终维持在给定的温度值 。由此可见 ， 阀杆 的位移 是蜡质感温驱动元件温度的函数 。温度变化使 阀 杆和调节筒不断运动 ， 调节冷热流体的流量 ， 实现 对混合流体的温度控制 。 图 1 自力 式温控阀结构示意 3 计算模型及网格划分 体 利用 S o l i d Wo r k s 三维 实体建模 软件 ， 对 图 1 所示的调节筒以上的阀腔流道建模 。为模拟冷热 流体在阀腔内混合后 的温度场状 态 ， 取某一时刻 冷热流体 比例为 1 2的调节筒开度进行建模。在 建模中略去弹簧 和拉杆等 阀内零部件 ， 以便 简化 计算。应用计算流体力学软件 F L U E N T的前处理 器 G A MB I T软件对计算模型进行 网格划分 J ， 如 图 2所示 ， 整个流道共划分为 3 9 3 3 9个 四面体 网 格单元。 图 2 模 型的网格 结构剖视图 4 计算结果及分析 本文所求解 的基本 方程是三维不可压 NS 方程 ， 湍流模 型采用标准 ks模型。离散方程 的 求解方法采用非结构 网格上 的 S I M P L E算 法， 一 阶迎风格式 。速度压力场采用隐式的全场迭代解 法 。温控阀内的流质为某牌号压缩机润滑油 ， 边界条件为速度进 口和 自由流出 口， 设定冷热流 体 的进 口流 速 均 为 0 ． 5 m ／ s 。 冷 流 体 温 度 为 2 9 5 K， 热流体温度为 3 2 5 K。 应用 F L U E N T软件对温控阀流道模型进行数 值模拟 ， 得到对称面上 的速度矢量图和温度分布 云图 ， 如 图 3 、 4所示 。从图中可以看出， 阀门内的 流场参数基本呈轴对称分布 ， 这是由于计算模型 是轴对称 的， 但 流体处于湍流状态 ， 流动非常复 杂 ， 因此不可能呈现完全轴对称 ， 但总体上基本形 成轴对称分布。从 图中还可以看 出， 进 口的冷热 流体经过阀内一段空腔的混合后 ， 温度逐渐均匀 ， 有利于感温包感知真实准确的混合流体温度。但 混合效果并不十分理想 ， 温度分层仍很 明显， 从感 温包向外温度逐渐降低 。感温包顶部流体混合剧 烈 ， 但温度场也并未因此而很好地改善。根据理 论计算 ， 本例 中混合后的平均温度是 3 1 5 K， 但是 ， 从温度分布云图可知 ， 感温包所处 的温度环境明 显高 于混合 平均温度 ， 感 温包 周 围的温度约 为 3 1 8 K左右， 这是由于感温包处的流体混合还不够 充分， 因而感温包周围流体温度偏高 ， 而壁面流体 温度偏低 ， 这样就会导致感温包对 出 口流体温度 控制产生误差。为 了提高温控 阀控温的准确性 ， 有必要对流道进行改进 ， 以便使感温包周 围的温 度更接近混合流体的平均温度。 3 0 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 3 8， No ． 4， 2 01 0 3． 2 5 e 0 2 3．23 e O 2 3．21 e 0 2 3． 1 9 e 0 2 3 ． 1 6 e 0 2 3 ． 1 4 e 0 2 3 ． 1 2e 0 2 3 ． 1 0 e 0 2 3 ． 08 e 0 2 3． o 6 e 0 2 3 ． 0 4 e 0 2 3 ． Ol e 0 2 2．99 e 0 2 2 ． 9 7 e 0 2 f 2． 9 5 e 0 2卜 5 流道优化 图 4 温度分布云图 由于 自力式温控阀感温包周围流场混合不够 均匀， 需要加强阀腔内冷热流体混合的力度 ， 因此 考虑在阀腔流道内加设节流挡板 。为对 比挡板位 置对节流混合效果的影响 ， 分别在感温包 中部和 下部加设挡板 ， 建立了模型一和模型二。 对改进流道进行数值模拟， 得到改进后流场 的温度分布 ， 如图 5 、 6所示。加设节流挡板后 ， 感 温包所处的温度环境明显改善， 感温包几乎完全 处于 3 1 5 K温度 的包 围之 中， 这是流体均匀混合 后的准确温度。说明加设挡板后 ， 非常有利 于感 温包对温度的准确感知 ， 并且 ， 模型一的改进效果 要明显好于模型二。 图 7为模型_ _ 的速度矢量图 ， 从 图中可 以看 出， 由于挡板的存在 ， 大大加强了感温包周围流体 的剧烈混合 ， 因而能使感温包周 围的温度场变得 均匀 ， 使其能够准确感知温度进而更好地控制混 合流体的温度。 曩 L x 图5 模型一的温度分布云图 3．25e孽 隆 图 6 模 型二 的温度分布云图 图7 模型一的速度矢量图 由于加设 了节流挡板， 阀内流体阻力会有所 增大。阻力损失可以通过数值模拟计算得到的阀 门进出 口压力损失来衡量， 如表 1 所示。从表中 可 以看出， 加设挡板后 阀门进出 口压力损失有一 定增大 ， 即阀门阻力增大， 且模型一的压力损失稍 大于模型二 。但是 ， 因加设 挡板而引起压力损失 _ ． _ _ 疆■■曩叠_ ■■ 2 0 1 0年第 3 8卷第 4期 流体机械 3 1 的增幅并不大 由无 挡板 的 1 ． O ％增 为模 型一的 1 ． 8 ％ ， 而对 于 自力式温控 阀来说 ， 感 温控温 的 准确程度是其主要性能方面， 感温包周 围温度场 的均匀准确更为重要 ， 加设挡板能使温度 场更加 均匀 ， 能够更好 的增加感 温包的控温准确度 ， 因此 加设挡板更有利于提高温控 阀的使用性能 ， 并且 以感温包 中部加设挡板 的流道模型性能最优 。 表 1 进 出口压力损失对 比 计算模型 无挡板 模型一 模型二 进 口压力 P a 1 0 l 6 4 7 ． 2 1 0 l 6 4 7 ． 7 1 0 1 6 4 6 ． 3 出口压力 P a 1 O O 6 3 8 ． 9 9 9 7 6 9 ． 8 1 o 0 0 1 7 ． 2 压力损失 ％ 1 ． 0 1 ． 8 1 ． 6 6结论 1 通过对 自力 式温控 阀流场的数值模 拟 ， 能够详细掌握阀 内温度场分 布状态 ， 发现流场缺 陷 ， 这有助于温控阀的优化设计 ， 具有非常重要 的 实际意义 ； 2 在感温包 中部 加设节流挡板 ， 虽然小幅 度增加了一些阻力损失 ， 但能够使感温包周 围流 体充分混合， 使其周围温度场明显均匀准确， 更有 利于温控阀对流体温度的精确控制。 参考 文献 [ 1 ] 杜兆年 ， 林 韶峰 ， 郭 惠霞 ． 形状记 忆合金 动作 元件疏 水阀的研究[ J ] ． 甘肃工业大学学报， 2 0 0 2 ， 2 8 1 48- 5 0． [ 2 ] 王乐勤 ， 陈颂英， 戴维平， 等． 自力式温度控制阀的 研制[ J ] ． 流体机械， 2 0 0 2 ， 3 0 8 1 5 1 6 ． [ 3 ] A L A N G L ， R A Z I N M．D y n a m i c P e rf o r m a n c e o f C o n v e n t i o n a l a n d El e c t r i c a l l y Ac t i v a t e d En g i ne The r mo s t a t s [ A] ．A S ME 2 0 0 1 I C E s p r i n g T e c h n i c a l C o n f e r e n c e [ C ] ． 2 0 0 1 ， 3 1 0 9 1 1 3 ． [ 4 ] 杜 兆 年 ， 史 凤 霞 ， 范 宗 良， 等 ． 温 控 阀 的分 析 研 究 [ J ] ． 阀门， 2 0 0 4 ， 1 1 4 1 6 ． [ 5 ] 王 为 恩 ， 盛 伟 ， 张 陈 ， 等 ． 油 温 控制 阀 的特 性 分 析 [ J ] ． 东北电力学院学报， 1 9 9 7 ， 1 7 1 1 8 2 2 ． [ 6 ] 史凤 霞 ， 杜兆年 ， 岳素石． 温控 阀用感 温蜡 的性 能分 析[ J ] ． 西华大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 5 ， 2 4 5 6 3_ 6 5． [ 7 ] 韩 占忠． F L U E N T 流体工程仿真计算实例与应用 [ M] ． 北京 北京理工大学出版社， 2 0 0 4 ． [ 8 ] V E R S T E E G H K，MA L A L A S E K E R A W．A n I n t r o d u c t i o n t o C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a mi c s [ M] ． 北京 世界 图书 出版公 司 ， 2 0 0 0 ． 作者简 介 何世权 1 9 6 6 一 ， 男 ， 博 士 ， 副研究 员 ， 主要从 事阀 门与流体密封方 向的教学和研究 工作 ， 通讯地址 7 3 5 0甘肃 兰 州市兰州理工大学石油化工学院 。 上接第 7 3页 4结 论 1 设计工况下辐射末端火 甩 效率为普通风机 盘管的 1 ． 6～1 ． 9倍 。采用辐射末 端 ， 从 量和质 上 ， 有更好 的节能效果 ， 可充分利用地下水 、 地源 热泵和江河湖水等具有低 品位能量的冷源 ； 2 相对炯 效率 随着参考温度 的升高 而降 低 ， 当参考环境温度为 2 2 C时， 辐射末端炯 效率 为风机盘管的 4 ． 3倍 ， 而参考温度 为 3 6 ℃时， 辐 射末端的火 甩 效率仅为风机盘管的 1 ． 6倍 ； 3 相对炯 效率随着辐射末端承担显热冷负 荷 比例的增加而增加 。从能 和质的节 约角度来 看 ， 应尽量提高辐射末端承担 的冷负荷 比例 。 参考文献 [ 1 ] 郭海新． 低火 用理论指导下的节能手段[ A] ．全国暖 通空调制冷 2 0 0 8年学术论文集[ D] ． 2 0 0 8 ， 3 5 6 3 5 8 ． 『 2 ] N o v o s e l a c A， S r e b r i c J ． A c r i t i c a l r e v i e w o n t h e p e r f o r ma n c e a nd d e s i g n o f c o mb i ne d c o o l e d c e i l i ng a nd di s p l a c e me n t v e n t i l a t i o n[ J ] ． E n e r g y a n d B u i l d i n g s ， 20 02，3 4 49 7 5 0 9． [ 3 ] We i w e i L i u ，Z h i w e i L i a n ．E n e r g y c o n s u m p t i o n a n al y - s i s o n a d e d i c a t e d o u t d o o r a i r s y s t e m wi t h r o t a r y d e s i c c a n t w h e e l [ J ] ．E n e r gy a n d B u i l d i n g s ， 2 0 0 7 ， 3 2 9 1 74 9 1 7 60． [ 4 ] 刘晓华． 温湿度独立控制空调系统 [ M] ． 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 5 ] 朱明善． 能量系统的炯 分析[ M] ．北京 清华大学 出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 6 ] 龙惟定． 用 B I N参数做建筑物能耗分析 [ J ] ．暖通 空调 ， 1 9 9 2 2 6 1 0 ． 作者简介 隋学敏 1 9 8 1 一 ， 女， 工学博士， 讲师， 主要从事辐 射供冷技术 的研 究 ， 通 讯 地址 7 1 5 4陕 西西 安 市雁 塔路 南 段 1 2 6号长安大学环工学院。