物料流量調(diào)節(jié)閥的特性研究

在現(xiàn)代化的自動(dòng)控制中，調(diào)節(jié)閥起著十分重要的作用。流動(dòng)的液體、氣體或固體粉料的正確分配和控制，都需要調(diào)節(jié)閥來完成。低壓氣力輸送裝置以鼓風(fēng)機(jī)為動(dòng)力源，風(fēng)機(jī)在供料裝置的前端，料倉(cāng)中粉料通過給料裝置連續(xù)地向高速氣流定量均勻給料，使粉料以懸浮狀態(tài)進(jìn)行輸送。在氣力輸送裝置中，要通過調(diào)節(jié)閥控制物料流量，確定物料的沉降速度和單位時(shí)間內(nèi)輸送的物料質(zhì)量，來控制合理的輸送風(fēng)速及混合比，它們是影響整個(gè)輸送系統(tǒng)輸送能力和效率的關(guān)鍵因素。
作者對(duì)氣力輸送系統(tǒng)中物料流量調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，所進(jìn)行的研究工作為閥的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化以及氣力輸送系統(tǒng)的控制裝置部分的設(shè)置提供了依據(jù)。

調(diào)節(jié)閥模型及網(wǎng)格劃分

圖1為所建立的調(diào)速閥模型。考慮閥內(nèi)流動(dòng)為面對(duì)稱結(jié)構(gòu)，建立三維軸對(duì)稱模型，節(jié)約計(jì)算資源。
根據(jù)閥的幾何特征，預(yù)先局部細(xì)化了閥內(nèi)復(fù)雜流道處和節(jié)流口處，網(wǎng)格劃分見圖2。并在求解迭代過程中，以壓力梯度和速度梯度為自適應(yīng)函數(shù)，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了自適應(yīng)細(xì)化，有助于提高解的精度。

圖1 調(diào)節(jié)閥模型

調(diào)節(jié)閥網(wǎng)格

數(shù)值模擬

采用CFD軟件對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了仿真計(jì)算，同時(shí)給出流場(chǎng)壓力的輪廓圖和速度的矢量圖的可視化結(jié)果，便于流道的改進(jìn)。

仿真結(jié)果

為了研究閥在不同工況下的特性，分別在閥不同開度下，以入口速度和出口壓力為邊界條件進(jìn)行了仿真計(jì)算。
圖3為在同一開口度時(shí)調(diào)節(jié)閥在不同流量輸出時(shí)閥芯的進(jìn)口壓力。

圖3 進(jìn)口壓力隨流量變化曲線

從圖3中可以看出： 固定開口度時(shí)，隨著流量的增加； 進(jìn)口壓力增加。尤其是小開度時(shí)，進(jìn)口壓力會(huì)急劇增加，這時(shí)閥內(nèi)節(jié)流口處最低壓力會(huì)低于大氣壓力，出現(xiàn)氣穴甚至氣蝕，影響流體的流動(dòng)連續(xù)性，在實(shí)際選用調(diào)節(jié)閥時(shí)要避免此工況的出現(xiàn)； 開度大時(shí)，流量的增加所帶來的壓力變化逐步較小。
閥芯所受的不平衡力直接關(guān)系調(diào)節(jié)閥控制裝置特性研究所需的參數(shù)及閥的性能特性，所以有必要對(duì)調(diào)節(jié)閥所受的不平衡力進(jìn)行研究。但是由于閥芯在中間位置時(shí)不平衡力難以用公式表示，因此，一般把調(diào)節(jié)閥全關(guān)時(shí)閥芯所受的靜態(tài)不平衡力作為調(diào)節(jié)閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)依據(jù)不精確。所謂調(diào)節(jié)閥的不平衡力就是指直行程的閥芯所受到流體的軸向合力。因此將閥內(nèi)流場(chǎng)壓力的分布沿閥芯表面積積分，便是閥芯所受到的軸向合力，即調(diào)節(jié)閥的不平衡力。
對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，可以給出閥芯在不同位置時(shí)，沿閥芯表面的壓力分布，以此可研究調(diào)節(jié)閥在不同位置時(shí)受到的不平衡力。圖4為不同開度、不同流量時(shí)閥芯底部壓力分布。可以看出：閥通過相同流量時(shí)，開口度越大，不平衡力越小；開口度不變時(shí)，隨著流量的增加閥芯底部壓力急劇增加，小開口度時(shí)尤甚，由于節(jié)流口的作用，靠近節(jié)流口部位的壓力變化最明顯，閥中心位置壓力變化稍緩。

圖4 閥芯底部的壓力分布

可視化分析

對(duì)閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算，可以得到閥內(nèi)流場(chǎng)任何位置的壓力、速度等場(chǎng)量。篇幅有限，結(jié)合流場(chǎng)特征，給出代表性的可視化圖。圖5和圖6分別為閥芯開度為25mm、閥軸對(duì)稱面的流場(chǎng)壓力分布圖和速度矢量圖。

5 閥軸對(duì)稱面的壓力分布圖

圖6 閥軸對(duì)稱面的速度矢量圖

由圖5所見：在節(jié)流口部位，由于節(jié)流面積減小，流線收縮，速度增大，動(dòng)能增加，壓力降低，在出口流道拐角處壓力值很低，易產(chǎn)生氣穴，需要改進(jìn)。
從圖6中可以看出：在閥芯底部及閥出口處的拐角流道處出現(xiàn)了漩渦，流動(dòng)損耗大，流道優(yōu)化時(shí)需考慮。

結(jié)束

對(duì)氣力輸送系統(tǒng)中物料流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行建模仿真，得出閥內(nèi)流場(chǎng)分布狀況及閥芯所受不平衡力隨開口度和工況不同的變化，為閥的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化以及氣力輸送系統(tǒng)控制裝置部分的設(shè)置提供了依據(jù)。