一种新型流量平衡阀的数值模拟和实验研究

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动态流量平衡阀亦称自力式流量控制阀，它在工作压差范围内，可以有效地控制通过的流量保持为-个常值，动态流量平衡阀在暖通、生活用水以及其他工业用水管网的平衡中起到了重要的作用，目前已经公布的机械自力式恒流量控制阀构造趋于-致，它们的共同缺点是流场复杂，通流面积小，流阻大等 。该文 旨在设计-种全新 的、机械结构简单、通流能力强、能耗损失低的机械自力式恒流量控制阀。

1 控制阀的结构原理1.1 阀芯曲线的设计阀芯曲线的设计依据同心环形缝隙公式 ：收稿日期：2012-05-31作者简介：王悦，现从事仪表研究方面的工作。

- r2t)2 I ㈩ l J其中：肛为动力黏度，单位Pa·S；f为同心环重合长度；△f)为阀芯前后压差；r ，r2为同心圆环大小圆半径。

假设阀芯曲线的横坐标为 ，纵坐标为 r的曲线，每-个 对应的值为 。则阀芯位移为 时，阀A 竹(R -r )其中：R为挡环内圈半径。根据公式(1)，得：- l- 2012年第 6期 工业仪表与 自动化装置 ·7·将式△P Akx带入上式，化简得：警 I(f-ro) In-R l L JL·u J由上式可以推出rx关于 的函数关系式。鉴于此函数关系式直接求解 基于 的解析解 比较困难，借助mathematic软件的反函数求解功能，得到阀芯曲线的离散点数据，拟合得到曲线，如图1所示。

0 10 20 3O 4O 5O 60 7O 8O 9O 1O0x/mm图1 阀芯曲线图1.2 阀芯整体设计在完成对阀芯曲线的设计后，进行阀芯前端的设计，阀芯整体如图2所示，该模型左边为迎面端，右端与固定连杆相连。该模型优势在于加工比较方便，流过阀芯的流场比较简单。

图2 初始阀芯形状另外，考虑到设计的动态流量平衡阀口径较大，工作压差较大，只使用-条线性螺旋弹簧控制，且要求较高的调控精度，故对图2阀芯设计进行-定修改，如图3所示。采用尖头设计 ，当流体接近阀芯尖头时，动压转为静压部分较原设计大幅减少，从而减小阀芯受到的轴向力。

图3 改进的阀芯形状1.3 独特的引压结构设计的大口径动态流量平衡阀，采用了-种引压结构，协助弹簧控制阀芯的：移动，因此可以采用更高精度的弹簧，提高平衡阀的控制精度。引压结构将阀前 1.5×D处截面的静压通过导管引导到阀芯的滑杆之后，作用于滑杆后部的滑块上，该作用力的大小撒于阀前静压的大邪滑块有效作用面积 .s的大校整体的动态流量平衡阀共包括7个零件：阀体、阀芯、挡环、滑杆、高精度弹簧、套筒、支撑环。如图4所示2 数值计算图4 控制阀结构示意图2.1 计算模型及边界条件以D 300 rain为参考大歇展研究工作，并设定工作压差范围为：△p 15；kPa，△p 150 kPa；挡环内径 d250 mE；阀芯最小直径 d 100 mnl；阀芯行程 Z100 mE。

利用 Pro/E软件绘制了初步的三维模型，为使流动能充分展开，设定整个模型总长为 20D，利用gambit进行网格绘制。阀芯前后 1×D区域包括了整个流场中物理量变化最剧烈的部分，而且这-区域的仿真结果将用来分析阀 受力、阀芯移动特性和阀门流量特性，因此这个区域的网格需要加密且采用结构化网格，其他区域采用六面体网格。最终确定每-阀芯位移下模型网格数在 70～8O万之间。

入口采用速度入 口边界条件( ：5 m/s)；出口采用 自由流边界条件，收敛条件为速度和湍流的残差值均小于0.000 l 。

2.2 计算结果及分析对初始模型在阀芯位移分别为 0，5，10，，95，100 mE共21种工作状态进行数值模拟。通过前-组数值计算结果的整理、分析，对阀芯曲线进行-系列的优化。经过 3次优化之后，先对得到的数据进2012年第6期 工业仪表与自动化装置 ·9·920 in。/h左右，只有少许波动。这验证了通过采用标准 - 模型与SIMPLE算法数值模拟得到平衡阀模型的可靠性，计算表 2中实验数据，可得阀门控制精度的最大误差为 4.9%，满足设计 目标流量误差低于5%的要求。

表 2 模型压差与流量关系4 结论该文创新设计开发了-种 自力式流量控制阀，运用 CFD三维计算模型对阀芯处于不同位移下，共21个模型分别进行数值模拟。并且通过优化最终确定了-种能利用线性螺旋弹簧实现高精度恒流量控制功能的模型。

利用搭建的实验平台，对设计的流量平衡阀实物模型，在工作压差持续变化的情况下进行了实验研究。其结果表明，CFD数值模拟的方法对大口径动态流量平衡阀的设计是可行的，该研究成果在工程中有重要的应用价值。

Q厂 ～ - ff jf0 2O 4O 6O 80 100 120 140 160 18O/kPa图9 流量 -压差关系图