膜片式低壓流量閥的設計與仿真研究

王兆然

(環境保護部核與輻射安全中心，北京100082)

0 引 言

傳統的流量閥主要以電磁滑閥式結構為主［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;應用于雜質較多的液體時容易堵死(如油漆、石油等)，導致流量閥失效。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，研究人員設計了一種膜片式流量閥。膜片式流量閥目前主要用于微執行機構中［3-7］，這種流量閥利用控制氣體壓力的變化驅動彈性膜片的形變，改變閥口開度，達到控制流量的目的。膜片式流量閥閥口間隙較大，可以較好地解決閥口被雜質堵死失效的問題［8］。另外，膜片式流量閥能實現電液分離，對于腐蝕場合，解決了由于液體泄露而腐蝕電纜的問題。

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

1 流量閥的結構和工作原理

膜片式流量閥結構示意圖如圖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。閥芯運動過程中，彈簧應始終處于壓縮位置。初始狀態時，閥芯在彈簧作用下關閉閥口，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 膜片式流量閥結構示意圖

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，Δp—進出口壓差，ρ—介質密度。

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°以比較閥芯坐標位置和閥口過流面積的關系，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系

由圖3可以看出，球閥的過流面積呈現較好的線性趨勢，因此閥芯結構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，其最大值對應的過流面積分別為 98.6 mm2，73.0 mm2，56.33 mm2。由以上數據可以得出，當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°的球閥閥口進行仿真和試驗。

3 內部流場仿真

3.1 物理模型及網格劃分

本研究采用FLUENT軟件對流量閥的內部流場進行仿真，由于閥芯為非軸對稱結構，采用三維模型進行建模。采用相同的輸入/輸出條件，通過仿真結果可得出不同閥芯位移下的流量值，采用上節中圖2(b)的球閥結構，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°。可計算出閥芯行程為3 mm，每隔0.3 mm建模并仿真。

表1 xi對應的閥芯位移

本研究對x1～x11分別建模并劃分網格，由于其建模過程類似，在此僅對x6處的物理模型及網格劃分進行介紹。由于該膜片式流量閥的對稱性，只需要畫出一半網格就可以進行計算，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)

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

我院此次研究通過對比兩組不同的護理服務措施,探討分析了良肢位擺放在腦卒中偏癱患者的治療效果、患者的護理服務滿意度和生活質量。通過對比常規護理服務措施和在執行常規護理服務措施的同時,額外在患者入院時采取良肢擺放的方法,發現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,改善患者的生活質量,而且可以增加患者的護理服務滿意度。

Tet/Hybrid方式的網格主要包含四面體網格單元，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雜形狀的模型，常用Tet/Hybrid進行網格劃分，可以保證較高的精度。經過劃分，共有203 539個四面體網格，網格劃分結果如圖5所示。

圖5 網格劃分結果

3.2 基本假設

為了簡化模型，本研究作出如下假設:

(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方程的非線性導致精確描寫三維時間相關的全部細節極端困難，需要極大的計算支持。在工程應用中常采用時均的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性方程和RNGκ-ε 模型為［16-19］:

3.3.2 RNG κ-ε 模型

設:

式中:Pk—湍動能生成項。其表達式如下:

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

3.4 邊界條件

該模型中的邊界條件如下:

(1)入口邊界:采用壓力進口，進口壓力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:采用無滑移標準壁面函數法;

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

3.5 仿真結果

本研究討論特定壓力輸入、不帶負載情況下出口(圖1中P2口)的穩態流量特征，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

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，當控制氣壓達到0.028 MPa時，圖1所示流量調節出口P2開始有流量，認為該壓力是膜片式流量閥的臨界工作壓力;當控制氣壓增大至0.145 MPa，再增大控制氣壓，流量調節出口P2流量保持不變，認為該壓力下閥芯位移達到最大值，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化為閥芯位移值，以對比仿真以及試驗結果。

4.2 試驗結果分析

膜片式流量調節閥試驗值和仿真值之間的關系如圖7所示。試驗結果顯示，該膜片式流量閥的流量調節特性適用于要求一般的低壓流量調節場合;另外，仿真結果與試驗結果吻合較好，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，為進一步的結構改進提供了有力依據。

圖7 膜片式流量閥流量特性

5 結束語

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

(2)本研究闡述了膜片式流量閥的結構特點以及流量調節原理，在這個基礎上，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格，利用RANS模型以及RNG κ-ε模型模擬出膜片式流量閥的內部流場，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。測試結果顯示，仿真和試驗結果吻合較好，該膜片式流量閥結構緊湊，流量特性能夠適應精度要求一般的低壓場合。

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