物料流量調節閥的特性研究

在現代化的自動控制中，調節閥起著十分重要的作用。流動的液體、氣體或固體粉料的正確分配和控制，都需要調節閥來完成。低壓氣力輸送裝置以鼓風機為動力源，風機在供料裝置的前端，料倉中粉料通過給料裝置連續地向高速氣流定量均勻給料，使粉料以懸浮狀態進行輸送。在氣力輸送裝置中，要通過調節閥控制物料流量，確定物料的沉降速度和單位時間內輸送的物料質量，來控制合理的輸送風速及混合比，它們是影響整個輸送系統輸送能力和效率的關鍵因素。
作者對氣力輸送系統中物料流量調節閥的內部流場進行了數值模擬，所進行的研究工作為閥的設計和性能優化以及氣力輸送系統的控制裝置部分的設置提供了依據。

調節閥模型及網格劃分

圖1為所建立的調速閥模型。考慮閥內流動為面對稱結構，建立三維軸對稱模型，節約計算資源。
根據閥的幾何特征，預先局部細化了閥內復雜流道處和節流口處，網格劃分見圖2。并在求解迭代過程中，以壓力梯度和速度梯度為自適應函數，對網格進行了自適應細化，有助于提高解的精度。

圖1 調節閥模型

調節閥網格

數值模擬

采用CFD軟件對閥內流場進行了仿真計算，同時給出流場壓力的輪廓圖和速度的矢量圖的可視化結果，便于流道的改進。

仿真結果

為了研究閥在不同工況下的特性，分別在閥不同開度下，以入口速度和出口壓力為邊界條件進行了仿真計算。
圖3為在同一開口度時調節閥在不同流量輸出時閥芯的進口壓力。

圖3 進口壓力隨流量變化曲線

從圖3中可以看出： 固定開口度時，隨著流量的增加； 進口壓力增加。尤其是小開度時，進口壓力會急劇增加，這時閥內節流口處最低壓力會低于大氣壓力，出現氣穴甚至氣蝕，影響流體的流動連續性，在實際選用調節閥時要避免此工況的出現； 開度大時，流量的增加所帶來的壓力變化逐步較小。
閥芯所受的不平衡力直接關系調節閥控制裝置特性研究所需的參數及閥的性能特性，所以有必要對調節閥所受的不平衡力進行研究。但是由于閥芯在中間位置時不平衡力難以用公式表示，因此，一般把調節閥全關時閥芯所受的靜態不平衡力作為調節閥執行機構的設計依據不精確。所謂調節閥的不平衡力就是指直行程的閥芯所受到流體的軸向合力。因此將閥內流場壓力的分布沿閥芯表面積積分，便是閥芯所受到的軸向合力，即調節閥的不平衡力。
對閥內流場進行數值模擬，可以給出閥芯在不同位置時，沿閥芯表面的壓力分布，以此可研究調節閥在不同位置時受到的不平衡力。圖4為不同開度、不同流量時閥芯底部壓力分布。可以看出：閥通過相同流量時，開口度越大，不平衡力越小；開口度不變時，隨著流量的增加閥芯底部壓力急劇增加，小開口度時尤甚，由于節流口的作用，靠近節流口部位的壓力變化最明顯，閥中心位置壓力變化稍緩。

圖4 閥芯底部的壓力分布

可視化分析

對閥內部流場進行仿真計算，可以得到閥內流場任何位置的壓力、速度等場量。篇幅有限，結合流場特征，給出代表性的可視化圖。圖5和圖6分別為閥芯開度為25mm、閥軸對稱面的流場壓力分布圖和速度矢量圖。

5 閥軸對稱面的壓力分布圖

圖6 閥軸對稱面的速度矢量圖

由圖5所見：在節流口部位，由于節流面積減小，流線收縮，速度增大，動能增加，壓力降低，在出口流道拐角處壓力值很低，易產生氣穴，需要改進。
從圖6中可以看出：在閥芯底部及閥出口處的拐角流道處出現了漩渦，流動損耗大，流道優化時需考慮。

結束

對氣力輸送系統中物料流量調節閥進行建模仿真，得出閥內流場分布狀況及閥芯所受不平衡力隨開口度和工況不同的變化，為閥的設計和性能優化以及氣力輸送系統控制裝置部分的設置提供了依據。