基于数值模拟来研究节流孔对先导控制阀压差影响外文翻译资料

基于数值模拟来研究节流孔对先导控制阀压差影响

摘要

先导控制阀（pcgv）可以利用通过阀芯上的孔的流体流动造成的压力差作为其动力，用小先导阀来开启和关闭主阀。具有节能、响应快等显著优点。阀芯上的节流孔结构是决定阀芯压差的主要元件，用于控制阀芯的压差。在本文中，数值模型结合用户的自定义函数（UDF）方法进行，并且实验也被安排进行了。阀芯的实际位移和实验结果达成一致。然后，分析了不同孔径下的不同静压、入口速度和压力。结果表明，压差与压力没有关系，因此可以采用pcgv氢管道。同时，高流速因为其压差可以更快的响应pcgv。此外，也存在一个不平衡的时刻，15毫米为DN150 pcgv孔的极端直径。最后的，关于pcgv孔的设计方法就被提出了。这项工作可以帮助精确的设计pcgv，并也可以参考其他研究人员处理孔结构相似阀门。

介绍

截止阀广泛应用于管道系统来控制流体流动。一方面，截止阀的需求是迅速增加，而另一方面，大能量消费和缓慢反应限制了进一步应用传统的截止阀。因此，开发反应速度快，驱动能耗低的截止阀有意义的。几年前，我们的小组提出了新型的先导控制阀（pcgv）。通过一个小的先导控制阀，pcgv可以利用压力差引起的由阀芯的底面的流体与上端面之间的流动，控制开启或关闭状态主阀的。因此，pcgv具有明显的节能优势。截至目前，有不少科研人员通过实验和数值方法处理阀门，来优化传统阀门的技术，因为实验可以提供可靠的数据，如速度和压力，而数值研究可以以更有效和经济的方式处理复杂的阀门。这是研究人员优化阀门设计的两种有效的方法。Amirante Retal和Li Setal 、ValdesJ等人分析了水力定向中的空化流动阀。注意止回阀流的气蚀球量。Moujaes SFetal和Edvardsen关注球阀的压降和井下关闭阀。与此同时，Beune和Schmidt Jetal既观察流体流动在极高的安全压力下，也在安全中进行不同的气体流动阀门进行研究。Cavalieri FJet al.analyze主要对于具有关闭状态的内燃机气门的作研究。Lisowski和Liu Qetal则把注意力集中在了电磁阀，而Zhang Petal通过观察三通阀动态性能。分析了一个拥有喷嘴挡板的先导阀。更深层次的，Huovinen M研究湍流下的节流阀流动状态。观察一流场内流体的流动和声场止回阀。Salimi和Verhelst S都进行氢发动机聚焦阀元件影响的分析。同时，rafiee SE和LinZ分析了球形控制阀锥长对节流阀的影响。Jin Z和Wei L研制一种新型高压减压阀性。同时，他们也关注管道阀门的噪声控制技术。

近年来，我们非常关注pcgv及其内部流动和空化分析，我们也提出了pcgv可在垂直线的流场中进行应用，通过之前的工作，我们提出了专注于孔板的设计，并且首先开发了动态数值模型和实验装置，对实验方法进行了比较，之后又分析了不同静压、进口速度和不同孔口直径的压力差。最后，提出了设计公式，还有pcgv孔结构设计的方法。这项工作可以帮助精确的设计pcgv，并能被研究者应用到处理孔结构或类似阀门设计。

数值方法：

在这一部分，简要介绍了PCGV的几何模型及其工作原理。 然后，用户选取了用于实现改变压差的功能的阀芯。 最后，提出了边界条件。

几何模型：

第一幅图显示pcgv几何模型。由于它的工作原则是详细阐明我们以前的工作，在本文总结如下。如图1所示，pcgv主要由主阀、先导阀和它们的先导管连接。主阀内有一种活塞式阀芯及弹簧。图片中pcgv为关闭状态。此时，先导阀保持关闭，而流体充满在主阀进口部分阀芯的内腔中，但由于先导阀关闭，流体不能进出阀口部分。如果先导阀是打开时，液体从出口流出，并因此减弱了阀门内部的压力。在这个压差的作用下，阀芯被推向上，主阀打开。相反地，当处于开启状态时，如果先导阀关闭，则阀芯上部压力迅速增大，压差把阀芯推到阀座上，使得主阀呈现关闭状态。在PCGV的主阀大驱动装置代替先导阀，因此，它具有明显的节能和快速响应的优势。

在本文中，以pcgv DN150为研究对象，阀芯的直径为150毫米，圆管和导阀管道孔口直径设定从2毫米到18毫米。

图1

用户定义的函数：

在这里，用户自定义函数（UDF）方法将会结合利用动态网格模拟动态数值，在孔的不同直径下仿真不同的入口速度和不同的静态压力。

进口压力制造的压差是关键因素，它主导整个过程。要通过UDFs的准确值和能够流利的连接来得到的压差。动阀芯力包括阀芯（MG）的重力，弹簧力（F1），压力差（FP）和阀芯与其它部件之间的摩擦力所引起的力。摩擦力相对较小，因此忽略。这个开启过程中阀芯的力函数可以描述为：

当然，是动力， 和 代表阻力，F是作用在阀门上的力改变运动状态的核心。

连接UFDs和FLUENT的目的，是实现UDF如下：当网格模型的建立，阀芯的上下表面设置为独立壁界，并分别分配特定的ID。ID为可变量，代入查找线程函数以获取索引地址。然后，索引地址是代入周期宏观，得到通过流畅的流体的表面上的每个元素的压力优化器使用宏。它可以用来算出底（P1）和上部的平均压力面（P2）。获取面面积是通过宏。

基于以上三个宏，压差力可以描述如下：

在这里，A是代表阀面的面积。在开始的时候，pcgv设置为关闭状态。初始在阀芯上的力可以用公式表示 ：

因此，该UDF程序能够计算出的力阀芯在第一时间的布局，根据公式可以实现加速度，除以阀的质量岩心（m）。因为每一步都很小，运动阀芯在每个时间步长简化为均匀加速运动。在第一时间步长，初始速度阀芯为零，阀芯的位移可以描述如下：

然后，阀芯位移为 。它可以从fluent中通过宏观读取网格。

在第二次步骤中，弹簧的压缩是初始压缩和位移的总和，弹簧力，阀芯位移，可描述如下：

以上的进程结束以后，UDF可以累积在每个时间步长得到总阀门开启的阀芯位移、值。此外，fluent将通过对于流体的流动状态的模拟再生网格最后命令输出，输出最终阀门开启值，上边面的平均压力。

边界条件：

如图2所示，考虑到流场的复杂性和pcgv阀芯运动，采用非结构化网格。采用网状再生法实现平滑再啮合。同时，在pcgv之前，有100毫米的长度，在pcgv之后，有300毫米，以充分观察发展的流量保证了仿真的准确性。以上所述孔的直径由218毫米。入口速度设置为1米/秒，1.5米/秒，2米/秒，2.5米/秒和3米/秒，而静态压力分别设置为0.6兆帕，1兆帕，2.5兆帕，4兆帕和6.3兆帕。

指定阀门的边界为速度入口、压力出口。上下表面活塞被设置为刚体，而活塞侧面设置为“动态变形”。内部流体设置为液态水。同时，在不稳定的模式，采用k-ε湍流模型，监测速度和压力的变化流场。在整个仿真之前，网格独立性检查与我们以前的工作误差小于1.5%。

图二

实验方法

实验装置：

如图3，它是实验的装置示意图。主要由缓冲罐、泵、控制阀、压力流量控制器和pcgv米构成。它们都是管道连接。缓冲罐用于储存水并提供特定的入口压力，泵用于注入水进缓冲罐。有时，泵也可以直接提供水。这个系统中有5个分支机构，每一个分支都有一个压力表，流量计，结合pcgv控制阀，以及它的法兰。所以他们可以轻松更换。图4显示了实验装置的真实画面。由于缓冲罐体积大，出于安全考虑，它放在测试室外面，所以不会出现在图片上。整个实验装置有5个分支，经过逐一测试，不涉及pcgv的并行性能。

图三

图四

实验流程：

为了安排实验，过程分为几个步骤。首先，由于参数的不同，pcgv应选择具体的参数安装在其中一个分支。其次，检查管道，通过打开泵检查是否有泄漏；同时，流量表和压力表观察，确保它们在适当的工作条件。第三，泵开始注入水缓冲罐，达到特定压力之后，pcgv打开，调节阀的分支是用来调整特定值的速度。最后，流量稳定后，阀芯位移标志pcgv状态，结合压力值和速度值关闭控制阀和pcgv。其他测试处理的步骤相同。

结果与讨论：

在这部分中，首先进行了实验和数值方法来确定阀芯位移。然后，分析了不同静态下的压差压力，入口速度，在不同的孔径下分别进行。最后，提出了孔口的设计方法，成型了pcgv的结构。

阀芯位移比较：

为了验证数值方法、仿真结果并对实验结果进行比较。如图所示在，图5中，横坐标D代表的直径孔，纵坐标x表示阀门的开启程度，SIM表示模拟值，exp代表实验值，V代表入口速度。仿真在不同孔径下的稳定位移，孔径设置有3 mm，6 mm，9mm，12mm，15mm和18mm。

图五

同时，两种不同的入口速度也参与了测试。从图5，可以得出结论，仿真结果与实验结果和模拟结果基本一致，具有参考价值。然而，在每个条件下，仿真结果略大于实验结果。最大偏差位于图3实验装置示意图。图5不同条件下E稳定阀芯位移孔的直径。国际标准下，氢能量的入口速度为2米/秒，孔直径为9毫米。这是由于隔膜的改造产生的阻力使得阀芯的运动被忽略，但它仍然很少超过3%。因此，数值模拟是准确的，可用于进一步的分析。同时，也可以从图5看出稳定阀心位移随孔口增大而减小。因此，如果节流孔直径不合理，阀门就不能达到正常的开启状态，对阀门工作性能就会有不利的影响。

pcgv内的流动特征：

在这一部分中，引入带节流孔直径10毫米，入口速度2米/秒一个例子。图6为稳定状态下的速度等值线，这意味着在这种状态下的阀芯是稳定的，没有速度。图6（a）是整个流场轮廓，同时呈现了速度的内部流动分布，图6（b）中存在对称轴上的三个平面。这里的流体从左侧流动的初始速度2米/秒。当它到达阀芯的底面时，由于突然收缩，流速加快，超过4米/秒后，阀门的出口方向上的流体达到峰值速度接近6.5米/秒。特别是在阀门出口这一领域，应注意防止气蚀。同时，相对于主要阀，在稳定状态下，很少有流体流过先导阀和先导管，这意味着大部分流体流经主阀。主要功能是产生阀芯底面压差，这种压力差可以保持阀芯保持在稳定的情况下工作。

图六

阀芯压差分析：

静压效应

为了研究应用pcgv的压力条件，如氢气管道或高压过热蒸汽管道压力，pcgv在静态影响性能压力下进行。

如表1所示，它模拟不同入口压力下阀芯的压力。静压设置为0.6兆帕，1兆帕，2.5兆帕，4 MPa和6.3 MPa。基于UDF方法，阀芯的上下表面压力正如我们可以看到的，随着入口静态压力，底部压力和上压力两者增加，由于线收缩突变进。表2给出了压力差不同的入口静压。在不同静压下，压差不改变。因此，pcgv也可以应用用高压力条件下，如氢管道和过热蒸汽管道，特别是在氢气缸内的压力变得越来越高。当然，在应用中，对pcgv材料，尤其是强度的要求，应考虑到。

表一

表二

入口速度的影响

在阀芯位移的截面比较中，我们发现入口速度对阀芯存在一定的的影响。在这里，进一步观察的入口速度上和下表面上的压力差的影响。图7给出了压力等值线图8毫米和入口速度1.5米/秒和2.5米/秒。图7（a）是在1.5米/秒，而图7（b）是低于2.5米/秒，两者的入口压力均接近2.51 MPa。对于1.5米/秒的条件下，阀芯降低后压力的影响就比较小了。换句话说，在入口速度足够高，所产生的压力差把阀门推到主阀的顶部，这样就可以打开阀门阀体损坏。

图七

孔径效应

图8给出了底面上的压力等值线图，具有不同孔径的阀芯入口速度1米/秒。正如我们所看到的，他们都看起来有彼此相似位于右侧的峰值点，这意味着有不平衡的时刻。随着孔口直径的增大，不平衡度逐渐编号。因为阀体的阀芯下有部分没有速度的流体，也提出了流动背后有不平衡的时刻。因此，一方面，孔的位置可以进一步优化，另一方面，阀体下的阀芯也可以进一步修改，以减少不平衡度。

基于对入口速度的分析，如表3所示，可以发现，随着孔径的增加，压力差减小，图9显示出这种现象的结果十分明显。正如我们所看到的，直径超过15毫米时压力差将达到负值，因此可以得出结论，15毫米是孔的极端直径，如果直径超过15毫米，pcgv不能完全打开达到工作条件。

表三

图八

图九图十

孔口结构设计方法

在这一部分中，提出pcgv孔结构的设计方法。基于以上分析，孔口的存在导致流体流动的转变，从而增加了能量的损失，产生在阀芯的上端面和下端面上的压差。局部阻力损失可以写成Eq。在工程设计中，局部阻力损失的计算主要是指局部损失的测定系数（x）。对于孔口引起的局部阻力损失结构，Eq可以归纳如下：

因此，局部阻力损失系数从平均压差来计算，如图10所示。局部阻力损失系数通过几何的局部扰动和雷诺数来确定，并在单位面积下的阻力，局部阻力损失系数与雷诺数无关，仅由局部扰动的几何形状决定。从图10可以得出结论：局部阻力损失系数随孔口直径的增大而减小，在不同入口速度下的局部阻力损失系数当孔口直径过大或过小时。以2毫米为例，最大的区别是近10%。因此，入口速度对当地的影响阻力损失系数小到在工程计算中足以忽略。同时，最好不要选择小孔直径（避免堵塞）也不大孔直径（保证合适的压差）

局部阻力损失系数从图10中得到，拟合公式计算局部损失系数如下：

zeta;=1.124cos

将计算结果与图10中的仿真结果进行比较，结果表明计算曲线与仿真结果（不同情况下比较小）比较相近。可以从图11中看出，计算结果吻合得很好，与仿

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