膜片式低壓流量閥的設(shè)計與仿真研究

王兆然

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082)

0 引 言

傳統(tǒng)的流量閥主要以電磁滑閥式結(jié)構(gòu)為主［1-2］。它是由流量電磁鐵、閥芯、閥套、主閥體，底座及反饋彈簧等組成。為了保證油路密封，滑閥式流量閥滑動密封面之間的間隙很小，容易造成閥芯卡死;應(yīng)用于雜質(zhì)較多的液體時容易堵死(如油漆、石油等)，導(dǎo)致流量閥失效。另外，滑閥式流量閥安裝精度要求較高，不適用于需要經(jīng)常拆卸的場合。

針對油漆等容易存在懸浮顆粒的場合，研究人員設(shè)計了一種膜片式流量閥。膜片式流量閥目前主要用于微執(zhí)行機(jī)構(gòu)中［3-7］，這種流量閥利用控制氣體壓力的變化驅(qū)動彈性膜片的形變，改變閥口開度，達(dá)到控制流量的目的。膜片式流量閥閥口間隙較大，可以較好地解決閥口被雜質(zhì)堵死失效的問題［8］。另外，膜片式流量閥能實現(xiàn)電液分離，對于腐蝕場合，解決了由于液體泄露而腐蝕電纜的問題。

本研究首先根據(jù)膜片式流量閥工作原理提出該流量閥的結(jié)構(gòu)示意圖，通過比較不同閥口的流量特性以確定閥芯的結(jié)構(gòu)，最后利用FLUENT軟件對不同閥芯位置的流場進(jìn)行仿真并得出該膜片式流量閥的流量特性，并與試驗結(jié)果進(jìn)行比較。

1 流量閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

膜片式流量閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，膜片式流量閥主要由閥體、膜片、閥芯以及彈簧組成。膜片將流量閥分為氣體腔和液體腔，控制氣體由P1輸入氣體腔，液體由P3輸入液體腔，并由P2輸出。閥芯運(yùn)動過程中，彈簧應(yīng)始終處于壓縮位置。初始狀態(tài)時，閥芯在彈簧作用下關(guān)閉閥口，P2口處沒有流量;隨著P1處氣壓的增大，膜片在氣壓的作用下推動閥芯運(yùn)動，閥口逐漸打開，P2口處流量隨之增大。

圖1 膜片式流量閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 閥口分析

閥口的流量特性直接決定了閥的流量特性，因此，閥口應(yīng)該具有良好的線性。閥口流量由下式表示［9］:

式中:Q—閥口流量，A—閥口過流面積，Cd—流量系數(shù)，Δp—進(jìn)出口壓差，ρ—介質(zhì)密度。

由式(1)可以看出，閥口的過流面積特性決定閥的流量特性。閥口形式主要有球閥、錐閥等［10-15］，本研究將對這兩種閥口的流量特性進(jìn)行比較。閥口形式如圖2(a)、2(b)所示。

球閥閥口過流面積為:

圖2 閥口形式

比較式(2，3)，取 R=3.5 mm，h=3 mm，H=4.75 mm，考慮到實際加工的操作性，本研究分別取θ=30°，45°和60°以比較閥芯坐標(biāo)位置和閥口過流面積的關(guān)系，比較情況如圖3所示。

圖3 不同θ下錐閥、球閥閥芯位置與過流面積的關(guān)系

由圖3可以看出，球閥的過流面積呈現(xiàn)較好的線性趨勢，因此閥芯結(jié)構(gòu)本研究選擇球閥形式。對于不同的 θ值，x取值范圍的上限不同，θ=30°，45°和 60°時，x最大值分別為6.93 mm，4.55 mm 和 3.97 mm，其最大值對應(yīng)的過流面積分別為 98.6 mm2，73.0 mm2，56.33 mm2。由以上數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)θ取較小角度時，閥芯行程大且過流面積控制范圍大，是較為理想的形狀。本研究取θ=30°的球閥閥口進(jìn)行仿真和試驗。

3 內(nèi)部流場仿真

3.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

本研究采用FLUENT軟件對流量閥的內(nèi)部流場進(jìn)行仿真，由于閥芯為非軸對稱結(jié)構(gòu)，采用三維模型進(jìn)行建模。采用相同的輸入/輸出條件，通過仿真結(jié)果可得出不同閥芯位移下的流量值，采用上節(jié)中圖2(b)的球閥結(jié)構(gòu)，球半徑 R=3.5 mm;閥孔半徑分別為 H=4.75 mm，h=3 mm;閥孔圓錐半角 θ=30°?？捎嬎愠鲩y芯行程為3 mm，每隔0.3 mm建模并仿真。

表1 xi對應(yīng)的閥芯位移

本研究對x1～x11分別建模并劃分網(wǎng)格，由于其建模過程類似，在此僅對x6處的物理模型及網(wǎng)格劃分進(jìn)行介紹。由于該膜片式流量閥的對稱性，只需要畫出一半網(wǎng)格就可以進(jìn)行計算，大大減少了計算量。膜片式流量閥流道的三維物理模型如圖4所示。

圖4 物理模型(x6=1.5 mm)

由于流場較為復(fù)雜，本研究對其進(jìn)行局部加密處理，流道較窄的位置采用尺度較小的網(wǎng)格，入口和出口處采用相對大的網(wǎng)格，在保證精度的情況下，減少網(wǎng)格數(shù)量，以便于計算。

我院此次研究通過對比兩組不同的護(hù)理服務(wù)措施,探討分析了良肢位擺放在腦卒中偏癱患者的治療效果、患者的護(hù)理服務(wù)滿意度和生活質(zhì)量。通過對比常規(guī)護(hù)理服務(wù)措施和在執(zhí)行常規(guī)護(hù)理服務(wù)措施的同時,額外在患者入院時采取良肢擺放的方法,發(fā)現(xiàn)采用增加采取良肢擺放的方法,不僅可以提高患者的治療效果,改善患者的生活質(zhì)量,而且可以增加患者的護(hù)理服務(wù)滿意度。

Tet/Hybrid方式的網(wǎng)格主要包含四面體網(wǎng)格單元，但是在合適的位置也可以包含六面體、錐體和楔形單元，劃分較為靈活。因此，對于本研究所述的復(fù)雜形狀的模型，常用Tet/Hybrid進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以保證較高的精度。經(jīng)過劃分，共有203 539個四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.2 基本假設(shè)

為了簡化模型，本研究作出如下假設(shè):

(1)液相為牛頓流體;

(2)流場為等溫流動，即忽略溫度變化對流場造成的影響;

(3)忽略重力、浮力和蒸發(fā)的影響。

3.3 控制方程

3.3.1 平均 N-S方程

由于瞬時Navier-Stokes方程的非線性導(dǎo)致精確描寫三維時間相關(guān)的全部細(xì)節(jié)極端困難，需要極大的計算支持。在工程應(yīng)用中常采用時均的Reynolds模型(RANS)，另外，RNGκ-ε模型對有旋流的場合有較高的精度，因此，本研究基于時均的連續(xù)性方程和RNGκ-ε 模型為［16-19］:

3.3.2 RNG κ-ε 模型

設(shè):

式中:Pk—湍動能生成項。其表達(dá)式如下:

在式(11，12)中包含 4 個系數(shù) Cε1，Cε2，σk，σε，這些系數(shù)分別表示如下:

3.4 邊界條件

該模型中的邊界條件如下:

(1)入口邊界:采用壓力進(jìn)口，進(jìn)口壓力0.4 MPa;

(2)出口邊界:計算域出口定義為壓力出口，空載情況下，壓力為0;

(3)壁面邊界:采用無滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法;

(4)流體介質(zhì):經(jīng)試驗測得室溫下介質(zhì)的密度為1.65 ×103kg/m3，粘度為0.003 kg/(m·s)，作為流體介質(zhì)的輸入。

3.5 仿真結(jié)果

本研究討論特定壓力輸入、不帶負(fù)載情況下出口(圖1中P2口)的穩(wěn)態(tài)流量特征，膜片式流量閥在不同閥芯位置下的流量特點如表2所示。

表2 不同閥芯位置下膜片式流量閥流量

4 試 驗

4.1 試驗系統(tǒng)

膜片式流量閥試驗原理圖如圖6所示。該試驗主要由PLC、電氣比例閥和膜片式流量閥組成。其中，PLC可以提供線性的電流用以控制電氣比例閥的輸出氣壓，該輸出氣壓即為圖1中膜片式流量閥的控制氣P1，由隔膜泵為膜片式流量閥提供穩(wěn)定的液體壓力輸入。膜片式流量閥的控制氣體壓力可由壓力表測出，液體輸入壓力可由壓力表讀出，輸出流量可由流量計測出。

圖6 膜片式流量閥試驗原理圖

試驗中，實際輸入油壓為0.4 MPa，控制氣壓力由0 MPa開始逐漸增大，當(dāng)控制氣壓達(dá)到0.028 MPa時，圖1所示流量調(diào)節(jié)出口P2開始有流量，認(rèn)為該壓力是膜片式流量閥的臨界工作壓力;當(dāng)控制氣壓增大至0.145 MPa，再增大控制氣壓，流量調(diào)節(jié)出口P2流量保持不變，認(rèn)為該壓力下閥芯位移達(dá)到最大值，即為3.0 mm。膜片式流量閥工作時，由于液動力的存在，輸入氣壓和閥芯位移之間不呈線性關(guān)系。但是，由于該閥液動力相對于氣壓對閥芯的力可以忽略不計，可以認(rèn)為該輸入氣壓和閥芯位移是呈線性變化的。因此，可以將輸入氣壓值轉(zhuǎn)化為閥芯位移值，以對比仿真以及試驗結(jié)果。

4.2 試驗結(jié)果分析

膜片式流量調(diào)節(jié)閥試驗值和仿真值之間的關(guān)系如圖7所示。試驗結(jié)果顯示，該膜片式流量閥的流量調(diào)節(jié)特性適用于要求一般的低壓流量調(diào)節(jié)場合;另外，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，說明本研究所述的RANS模型和RNGκ-ε模型適用于該膜片式流量閥，為進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了有力依據(jù)。

圖7 膜片式流量閥流量特性

5 結(jié)束語

(1)為了適應(yīng)油漆等容易存在懸浮顆粒的場合，本研究設(shè)計了膜片式流量閥。該流量閥利用壓縮氣體驅(qū)動彈性膜片，帶動閥芯移動調(diào)節(jié)閥口開度，能夠達(dá)到控制流量的目的。膜片式流量閥閥口間隙較大，可以較好地解決閥口被雜質(zhì)堵死而失效的問題。

(2)本研究闡述了膜片式流量閥的結(jié)構(gòu)特點以及流量調(diào)節(jié)原理，在這個基礎(chǔ)上，比較了錐閥和球閥閥口的過流面積特性，確定了膜片式流量閥的閥芯為球閥形式。對于不同的閥芯位置，筆者利用GAMBIT軟件建立了膜片式流量閥液體腔的物理建模并劃分網(wǎng)格，利用RANS模型以及RNG κ-ε模型模擬出膜片式流量閥的內(nèi)部流場，并得出了入口和出口流量值。

(3)筆者建立了以PLC、電氣比例閥以及本研究所述的膜片式流量閥為核心的試驗臺，在相同的液相輸入/輸出條件下，得出了不同控制氣壓下流量閥的流量值。測試結(jié)果顯示，仿真和試驗結(jié)果吻合較好，該膜片式流量閥結(jié)構(gòu)緊湊，流量特性能夠適應(yīng)精度要求一般的低壓場合。

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