近年來，隨著計(jì)算機(jī)和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展（CFD）隨著數(shù)值模擬的發(fā)展，數(shù)值模擬的優(yōu)勢越來越明顯，流體機(jī)械的內(nèi)部流動(dòng)已經(jīng)開始研究。節(jié)流管調(diào)節(jié)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，本文應(yīng)用CFD軟件FLUENT三維數(shù)值模擬了其內(nèi)部流場，詳細(xì)研究了不同閥門結(jié)構(gòu)的內(nèi)部流場受力和閥門驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功耗。
1節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)及三維建模
本文應(yīng)用三維建模軟件Pro/ENGINEER建立流道模型。
1.1 建立流道模型
圖1是節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)圖。它由閥體、閥盤組件、活塞組件、節(jié)流管組件、雙面法蘭和閥門周圍組件組成。流體從右側(cè)流出，從左側(cè)流出。閥門的公稱直徑為DN設(shè)計(jì)壓力為40/100.2MPa，工作壓力為（2.15±0.10）MPa，減壓壓力不小于0.5MPa。
圖1 節(jié)流管道調(diào)節(jié)閥結(jié)構(gòu)圖
從圖1可以看出，節(jié)流管調(diào)節(jié)閥內(nèi)部的流道比較復(fù)雜，直接建模流道將面臨很大的困難。本文首先建立了閥門的實(shí)際模型，然后建立了與實(shí)際模型相同的內(nèi)部無流道的實(shí)心模型，最后將兩者重合組裝成一個(gè)組件，依次采用編輯、組件操作、切割操作，即獲得閥門流道模型。為了減少計(jì)算量和節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，簡化了節(jié)流管內(nèi)部上部的流道，并使用了計(jì)算區(qū)域的一半，圖2為提取的流道模型。
1.計(jì)算網(wǎng)格的劃分
使用專業(yè)的預(yù)處理軟件ICEM－CFD由于流道復(fù)雜，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格對流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。閥頭附近的流體速度和壓力梯度非常大，因此該區(qū)域被加密。如圖3所示，節(jié)流管調(diào)節(jié)閥開度為30%，網(wǎng)格數(shù)量為79萬。
2 模擬計(jì)算和結(jié)構(gòu)優(yōu)化
本算例采用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT數(shù)值模擬調(diào)節(jié)閥流場。
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2.1 邊界設(shè)置
啟動(dòng)FLUENT，選用三維雙精度求解器，導(dǎo)入流道網(wǎng)格。采用三維穩(wěn)態(tài)隱性壓力基求解模型，選用湍流模型k－ε湍流模型；流體介質(zhì)采用水作為不可壓縮流體，重力加速度為-9.8m/s2；湍流強(qiáng)度為3%，進(jìn)口面邊界為壓力進(jìn)口(2MPa），入口水力直徑為0.08m，出口邊界為壓力出口(1)MPa），出口水力直徑為0.1m；采用SIMPLE算法和一階迎風(fēng)離散格式，殘差精度為10-5，并監(jiān)控出口表面的流量變化。
2.2 節(jié)流管組件機(jī)械傳動(dòng)計(jì)算
節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為小功率電機(jī)，最大功率為25W，工作電壓220V，電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為15r/min。螺紋為普通三角形螺紋，其公稱直徑為d=8mm，螺距為1.25mm，中徑為d2=7.188mm。
螺套管每分鐘向下移動(dòng)一次L=15×1.25=18.75mm；
螺套管的運(yùn)動(dòng)速度為：
牙型角α=60°，牙側(cè)角；
螺釘和螺母的材料為鋼，發(fā)現(xiàn)螺紋副的摩擦系數(shù)f=0.17；
當(dāng)量摩擦角螺紋ρ正切值為：
螺紋升角ψ正切值為：
在螺桿和螺套管之間存在螺旋傳動(dòng)，該螺紋副的傳動(dòng)效率為：
假設(shè)電機(jī)的工作效率為100%，電機(jī)沿垂直軸旋轉(zhuǎn)，并通過螺釘向下傳動(dòng)力。電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周，螺釘也旋轉(zhuǎn)一周，螺套向下移動(dòng)螺距位移。P電機(jī)功率，P考慮到螺紋副的傳動(dòng)效率，可以根據(jù)公稱直徑與螺距的關(guān)系（如圖4所示）得出相應(yīng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系：
（1）
圖4 公稱直徑與螺距的三角關(guān)系
根據(jù)功率、速度和力的關(guān)系：
（2）
由牛頓第二定律可以看出，電機(jī)驅(qū)動(dòng)節(jié)流管向下勻速F對節(jié)流管的壓力等于流體F，即
F'=F （3）
電機(jī)消耗的功率P為：
（4）
其中：a≈0.0181m/s。
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2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化
通過上一節(jié)的機(jī)械傳動(dòng)計(jì)算，可以看出電機(jī)功率與節(jié)流管壓力成正比。本文從降低節(jié)流管壓力的角度優(yōu)化了流道的設(shè)計(jì)。通過觀察流道結(jié)構(gòu)，可以降低閥體孔的直徑(導(dǎo)氣孔結(jié)構(gòu)如圖2所示)。
節(jié)流管調(diào)節(jié)閥體內(nèi)導(dǎo)氣孔的實(shí)際直徑為6mm，應(yīng)用Pro/E軟件改變節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥中導(dǎo)氣孔的直徑，將直徑分別改為4、5、7、8mm，并提取各流道模型 ，劃分網(wǎng)格，導(dǎo)入FLUENT內(nèi)部進(jìn)行數(shù)值模擬。表1是計(jì)算節(jié)流管的軸向壓力和活塞的應(yīng)力。
表1 改變閥體內(nèi)導(dǎo)氣管直徑時(shí)節(jié)流管的應(yīng)力
當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑為4、5、6、7、8mm當(dāng)相應(yīng)的電機(jī)功率分別為2.39、2.49、2.65、2.836、3.02W。
從圖5可以看出，當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑降低時(shí)，活塞上表面的壓力也會(huì)降低，活塞兩側(cè)流體的壓差也會(huì)降低。活塞是驅(qū)動(dòng)閥桿向下移動(dòng)的主要?jiǎng)恿?。如果?dǎo)氣孔直徑過度降低，會(huì)影響活塞的合力，進(jìn)而影響閥門的開啟。因此，適當(dāng)降低閥體內(nèi)導(dǎo)氣孔的直徑可以有效節(jié)省閥門電機(jī)的功耗。圖6為電機(jī)功率隨導(dǎo)氣孔直徑變化的曲線圖。從圖6可以看出，電機(jī)功率隨導(dǎo)氣孔直徑變化明顯。當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑大于閥門實(shí)際直徑時(shí)，電機(jī)功率隨導(dǎo)氣孔直徑的增加而增加；當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑小于其實(shí)際直徑時(shí)，電機(jī)功率隨直徑的減小而減小。
圖5 活塞兩側(cè)壓差隨導(dǎo)氣孔直徑變化的曲線圖
圖6 電機(jī)功率隨導(dǎo)氣孔直徑變化的曲線圖
3 結(jié)語
減少節(jié)流管式調(diào)節(jié)閥的導(dǎo)氣孔直徑可以有效降低電機(jī)功耗。通過模擬不同導(dǎo)氣孔直徑的調(diào)節(jié)閥內(nèi)部流道的三維穩(wěn)態(tài)值和節(jié)流管內(nèi)部的機(jī)械傳動(dòng)計(jì)算，得出節(jié)流管端面和活塞兩側(cè)流體的壓力，在不同導(dǎo)氣孔直徑的電機(jī)功率上找到閥門。分析得知，當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑減小時(shí)，電機(jī)功率減小；當(dāng)導(dǎo)氣孔直徑增大時(shí)，電機(jī)功率也會(huì)增加。
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