物料流量调节阀的特性研究

    在现代化的自动控制中，调节阀起着十分重要的作用。流动的液体、气体或固体粉料的正确分配和控制，都需要调节阀来完成。低压气力输送装置以鼓风机为动力源，风机在供料装置的前端，料仓中粉料通过给料装置连续地向高速气流定量均匀给料，使粉料以悬浮状态进行输送。在气力输送装置中，要通过调节阀控制物料流量，确定物料的沉降速度和单位时间内输送的物料质量，来控制合理的输送风速及混合比，它们是影响整个输送系统输送能力和效率的关键因素。

    作者对气力输送系统中物料流量调节阀的内部流场进行了数值模拟，所进行的研究工作为阀的设计和性能优化以及气力输送系统的控制装置部分的设置提供了依据。

    1 调节阀模型及网格划分

    图1为所建立的调速阀模型。考虑阀内流动为面对称结构，建立三维轴对称模型，节约计算资源。

    根据阀的几何特征，预先局部细化了阀内复杂流道处和节流口处，网格划分见图2。并在求解迭代过程中，以压力梯度和速度梯度为自适应函数，对网格进行了自适应细化，有助于提高解的精度。    

图1 调节阀模型

图2 调节阀网格

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    2 数值模拟    

    采用CFD软件对阀内流场进行了仿真计算，同时给出流场压力的轮廓图和速度的矢量图的可视化结果，便于流道的改进。

    2.1 仿真结果

    为了研究阀在不同工况下的特性，分别在阀不同开度下，以入口速度和出口压力为边界条件进行了仿真计算。

    图3为在同一开口度时调节阀在不同流量输出时阀芯的进口压力。

图3 进口压力随流量变化曲线

    从图3中可以看出：  固定开口度时，随着流量的增加；  进口压力增加。尤其是小开度时，进口压力会急剧增加，这时阀内节流口处最低压力会低于大气压力，出现气穴甚至气蚀，影响流体的流动连续性，在实际选用调节阀时要避免此工况的出现；  开度大时，流量的增加所带来的压力变化逐步较小。

    阀芯所受的不平衡力直接关系调节阀控制装置特性研究所需的参数及阀的性能特性，所以有必要对调节阀所受的不平衡力进行研究。但是由于阀芯在中间位置时不平衡力难以用公式表示，因此，一般把调节阀全关时阀芯所受的静态不平衡力作为调节阀执行机构的设计依据不精确。所谓调节阀的不平衡力就是指直行程的阀芯所受到流体的轴向合力。因此将阀内流场压力的分布沿阀芯表面积积分，便是阀芯所受到的轴向合力，即调节阀的不平衡力。

    对阀内流场进行数值模拟，可以给出阀芯在不同位置时，沿阀芯表面的压力分布，以此可研究调节阀在不同位置时受到的不平衡力。图4为不同开度、不同流量时阀芯底部压力分布。可以看出：阀通过相同流量时，开口度越大，不平衡力越小；开口度不变时，随着流量的增加阀芯底部压力急剧增加，小开口度时尤甚，由于节流口的作用，靠近节流口部位的压力变化最明显，阀中心位置压力变化稍缓。

图4 阀芯底部的压力分布    

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    2.2 可视化分析

    对阀内部流场进行仿真计算，可以得到阀内流场任何位置的压力、速度等场量。篇幅有限，结合流场特征，给出代表性的可视化图。图5和图6分别为阀芯开度为25mm、阀轴对称面的流场压力分布图和速度矢量图。

图5 阀轴对称面的压力分布图

图6 阀轴对称面的速度矢量图

    由图5所见：在节流口部位，由于节流面积减小，流线收缩，速度增大，动能增加，压力降低，在出口流道拐角处压力值很低，易产生气穴，需要改进。

    从图6中可以看出：在阀芯底部及阀出口处的拐角流道处出现了漩涡，流动损耗大，流道优化时需考虑。

    3 结束语

    对气力输送系统中物料流量调节阀进行建模仿真，得出阀内流场分布状况及阀芯所受不平衡力随开口度和工况不同的变化，为阀的设计和性能优化以及气力输送系统控制装置部分的设置提供了依据。