高志新 ，岳 陽 ，李軍業(yè) ，吳 輝 ，金志江

（1.中核蘇閥科技實(shí)業(yè)股份有限公司，江蘇蘇州 215129；2.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院化工機(jī)械研究所，杭州 310027）

0 引言

通常來說，限制調(diào)節(jié)閥流通能力的結(jié)構(gòu)主要包括閥體、閥座以及閥芯和套筒。截止目前，對(duì)調(diào)節(jié)閥流量特性的研究主要集中在閥芯和套筒兩個(gè)方面，通過設(shè)計(jì)不同的套筒和閥芯的結(jié)構(gòu)形式，可以得到不同的流量特性。TAIMOOR等［1］設(shè)計(jì)了一種新型的圓柱排列的閥籠，發(fā)現(xiàn)在臨界流動(dòng)路徑尺寸下調(diào)節(jié)閥的固有流量特性會(huì)發(fā)生變化。蔡標(biāo)華等［2］研究了閥口形狀為橢圓形、V形和扇形時(shí)調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)。CHERN等［3］研究了多層套筒中流通面積與流量系數(shù)之間的關(guān)系。QIAN等［4-5］討論了閥芯形狀和套筒窗口形狀對(duì)調(diào)節(jié)閥流量特性的影響。

正交試驗(yàn)方法近年來被廣泛應(yīng)用在閥門設(shè)計(jì)分析中。王傳禮等［6］用正交試驗(yàn)方法研究了安全閥閥芯表面的壓力分布和承載力，找出了影響閥芯承載力的關(guān)鍵因素，并將閥芯的承載力提高了22%。QIU等［7］采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化了液壓馬達(dá)中分配閥的結(jié)構(gòu)，使其適應(yīng)高壓、低速和高扭矩條件。周玲君等［8］優(yōu)化了V型液壓閥口，降低了閥口的空化指數(shù)。

在已有的文獻(xiàn)中，對(duì)調(diào)節(jié)閥閥體形狀的研究一般集中在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上，而很少聚焦在閥的流量特性上。張建華等［9］和彭震中等［10］分別對(duì)三通閥和汽輪機(jī)調(diào)節(jié)閥閥體的強(qiáng)度進(jìn)行了分析。唐騰飛等采用了基于參數(shù)自適應(yīng)的漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)直通式調(diào)節(jié)閥的閥體進(jìn)行優(yōu)化，但是其關(guān)注的為調(diào)節(jié)閥的剛強(qiáng)度［11-15］。

以柱塞式調(diào)節(jié)閥為例，流體依次經(jīng)閥體、閥座、閥口和閥體流出，故柱塞式調(diào)節(jié)閥的流通能力受閥體內(nèi)流道形狀、閥座尺寸和閥口處的流通面積的影響。柱塞式調(diào)節(jié)閥在使用過程中通過調(diào)節(jié)閥芯和閥座之間的距離也就是閥口處的流通面積來改變調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，為了保證調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)能力，閥體和閥座的流通能力應(yīng)大于閥口處的流通能力。當(dāng)需要的調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)較小時(shí)，閥口處的流通面積較小，故此時(shí)閥體內(nèi)流道形狀對(duì)調(diào)節(jié)閥的流量特性影響不大，甚至可以忽略。但是當(dāng)需要的調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)接近于閥體的流量系數(shù)時(shí)，意味著閥口處的流通能力接近于閥體的流通能力，考慮到調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)不是閥體、閥座和閥芯之間單純的疊加作用，在設(shè)計(jì)時(shí)不能忽略閥體的影響。本文主要以柱塞式調(diào)節(jié)閥為研究對(duì)象，結(jié)合數(shù)值模擬方法與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析不同閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)閥體流量特性的影響，以期找到較優(yōu)的閥體結(jié)構(gòu)。同時(shí)針對(duì)指定的閥體結(jié)構(gòu)，研究閥座尺寸對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的影響，以期為柱塞式調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1 數(shù)值方法

1.1 幾何模型

如圖1所示為本文研究的單座柱塞式調(diào)節(jié)閥，主要由閥體、閥座、閥芯和穩(wěn)流套筒組成。

圖1 單座柱塞式調(diào)節(jié)閥Fig.1 Single-seat plunger regulating valve

其中，調(diào)節(jié)閥進(jìn)出口的公稱通徑為50 mm，閥座內(nèi)徑為30 mm，閥芯的最大行程為20 mm。

在本研究中，調(diào)節(jié)閥閥芯外增加了穩(wěn)流套筒，但在套筒上的開孔面積遠(yuǎn)大于調(diào)節(jié)閥在最大開度時(shí)的閥口流通面積，故套筒的增加不影響調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)，其主要作用是在調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)過程中，降低閥芯所受的橫向力。

1.2 數(shù)值模型

為了消除雷諾數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的影響，分析中保證柱塞式調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流動(dòng)為湍流流動(dòng)，故采用Navier-Stokes方程和Realizable k-ε湍流模型求解調(diào)節(jié)閥內(nèi)的流場。分析中采用的工作介質(zhì)為常溫、不可壓縮的水并忽略溫度的變化，求解的控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和湍流模型方程，具體公式如下所示：

式中 u——水的流速，m/s；

ρ——水的密度，kg/m3；

p——壓力，Pa；

τij——黏性應(yīng)力，Pa；

μ——水的動(dòng)力黏度，Pa·s；

Gk，Gb——由平均速度梯度和浮力引起的湍流動(dòng)能，m2/s2。

分析采用基于有限體積法的商業(yè)計(jì)算軟件Fluent，采用二階迎風(fēng)空間離散方法求解水的流動(dòng)、湍動(dòng)能和湍流耗散率的方程。分析中采用速度入口、壓力出口和無滑移的壁面邊界條件，且入口速度為2 m/s，出口壓力為一個(gè)大氣壓。

由于幾何模型的對(duì)稱性，分析中取一半的模型來減少計(jì)算時(shí)間，同時(shí)為了更精確的捕捉壓力的變化，分析中設(shè)置了邊界層網(wǎng)格并選用Scalable wall functions。本研究中所劃分的網(wǎng)格如圖2所示。為了消除網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，劃分了3種不同數(shù)量的網(wǎng)格，3種網(wǎng)格下調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為376 449時(shí)，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)的變化基本可以忽略，故最終將第2套網(wǎng)格劃分方法用于本文中的所有研究。

圖2 調(diào)節(jié)閥網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation of regulating valve

表1 不同網(wǎng)格數(shù)量下調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Tab.1 The flow coefficient of the regulating valve under different grid numbers

1.3 分析方法

由于調(diào)節(jié)閥閥體內(nèi)流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)多，如果分別分析每個(gè)參數(shù)的變化對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的影響，需要完成大量的幾何模型建模和分析計(jì)算。為了在得到閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響的同時(shí)減小分析次數(shù)，本研究采用統(tǒng)計(jì)學(xué)中的Plackett-Burman方法和正交試驗(yàn)方法來設(shè)定分析方案。

Plackett-Burman方法是一種篩選對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是否有顯著影響的因素的方法，其是一種兩水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，每個(gè)影響因素有高水平和低水平兩種。對(duì)Plackett-Burman方法設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，若因素可信度大于95%，則認(rèn)為該因素對(duì)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)具有顯著影響［12］。

正交試驗(yàn)法是一種研究多因素多水平的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。與全面試驗(yàn)法相比，正交試驗(yàn)方法可以降低分析次數(shù)，提高分析效率。

2 結(jié)果與討論

2.1 閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

為了研究調(diào)節(jié)閥在不同閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)下的流通能力并找到較優(yōu)閥體結(jié)構(gòu)，將調(diào)節(jié)閥的閥體內(nèi)流道分為3個(gè)部分，即入口腔、中腔和出口腔。提取調(diào)節(jié)閥閥體3個(gè)流動(dòng)腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)H1～H8。，如圖3所示。由于流體在流動(dòng)過程中，流道截面放大或縮小，都會(huì)引起局部阻力損失。在本研究中，閥體入口腔底部為類球形結(jié)構(gòu)，由1/4圓形截面旋轉(zhuǎn)得到。為了降低局部阻力損失，該截面面積為入口流道截面積的一半。

圖3 閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.3 The structure parameters of the flow passage in the valve body

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)Plackett-Burman方法和正交試驗(yàn)方法的要求以及閥體結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值，分別設(shè)定Plackett-Burman試驗(yàn)表2和正交試驗(yàn)表3。

表2 Plackett-Burman試驗(yàn)Tab.2 Plackett-Burman test

表3 正交試驗(yàn)Tab.3 Orthogonal test

2.3 結(jié)果分析

閥門的流量系數(shù)Cv可表示為：

圖4示出Plackett-Burman試驗(yàn)的分析結(jié)果，從不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的帕累托圖中可以發(fā)現(xiàn)，除結(jié)構(gòu)參數(shù)H3和H7外，所選取的位于閥體入口腔、中腔和出口腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)均對(duì)調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)有顯著影響，且中腔高度H8對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的影響最顯著。

圖4 Plackett-Burman試驗(yàn)分析結(jié)果Fig.4 Analysis results of Plackett-Burman test

表4示出對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果分析得到的不同閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的響應(yīng)。從表4中可以發(fā)現(xiàn)，與Plackett-Burman試驗(yàn)結(jié)果相比，正交試驗(yàn)法得到的閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的影響排序稍有不同，但是對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)影響最弱的結(jié)構(gòu)參數(shù)基本相同。

表4 正交試驗(yàn)參數(shù)響應(yīng)Tab.4 Orthogonal test parameter response

圖5示出以得到最大調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)為目標(biāo)的不同閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的主效應(yīng)圖。從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)中腔，其高度H8應(yīng)取大值；對(duì)入口腔，H1和H4取小值，H2取大值，H3取中間值；對(duì)出口腔，H5應(yīng)取小值，H6和H7應(yīng)取大值。

圖5 閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)的主效應(yīng)圖Fig.5 The main effect of the structural parameters of the flow passage in the valve body

由于利用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法得到的對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)影響最大的結(jié)構(gòu)參數(shù)為 H4，H1，H8，H6和H2，為了驗(yàn)證不同閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的影響，以根據(jù)正交試驗(yàn)法得到的最優(yōu)的閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)為參照進(jìn)行對(duì)比，具體結(jié)果見表5?？梢园l(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的閥體流道結(jié)構(gòu)能夠使得調(diào)節(jié)閥有更高的流量系數(shù)。

圖1是系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。該硬件系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：太陽能供電模塊、單片機(jī)控制模塊、GPRS無線數(shù)傳模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊[5-6]。系統(tǒng)的工作原理是：單片機(jī)控制系統(tǒng)經(jīng)信號(hào)采集與處理獲得有效信號(hào)后，經(jīng)過GPRS無線數(shù)傳模塊與Internet網(wǎng)絡(luò)的接入傳回監(jiān)控中心。

表5 不同閥體內(nèi)流道結(jié)構(gòu)參數(shù)下調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)Tab.5 The flow coefficient of the regulating valve under different structural parameters of the flow passage in the valve body

根據(jù)正交試驗(yàn)的分析結(jié)果，優(yōu)化后的閥體的結(jié)構(gòu)如圖6所示，利用數(shù)值分析得到的優(yōu)化的調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)為19.6，是所有分析中的最大值。

圖6 優(yōu)化的閥體流道結(jié)構(gòu)Fig.6 Optimized valve body flow passage structure

為了研究調(diào)節(jié)閥的閥座對(duì)流量系數(shù)的影響，針對(duì)如表6所示的閥座尺寸和閥口流通面積進(jìn)行數(shù)值分析。其中FA1小于FA2，且相同的最大流通面積下，不同開度和不同閥座尺寸下閥口的流通面積也相同。

表6 閥座對(duì)流量系數(shù)影響的研究方案Tab.6 Research plan for the influence of valve seat on flow coefficient

圖7和8分別示出當(dāng)最大閥口流通面積均為FA1時(shí)，不同閥座尺寸下調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)和以閥座尺寸D=25 mm為比較基準(zhǔn)時(shí)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的差值。

圖7 最大閥口流通面積均為FA1時(shí)不同閥座尺寸下調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Fig.7 The flow coefficient of the regulating valve under different seat sizes when the maximum valve port flow area is FA1

圖8 最大閥口流通面積均為FA1時(shí)不同閥座尺寸下調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的差值（與閥座直徑為25 mm的調(diào)節(jié)閥相比）Fig.8 The difference in flow coefficient of the regulating valve under different seat sizes when the maximum valve port flow area is FA1 （compared with the regulating valve with a seat diameter of 25 mm）

可以發(fā)現(xiàn)，3種閥座尺寸下調(diào)節(jié)閥均存在等百分比流量特性。同時(shí)在大開度下，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨著閥座尺寸的增加而增加，但在小開度下調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)隨著閥座尺寸的增加而減小。

圖9和10分別示出當(dāng)最大閥口流通面積均為FA2時(shí)，不同閥座尺寸下調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)和以閥座尺寸D=36 mm為比較基準(zhǔn)時(shí)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的差值。對(duì)比圖7和9可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度一定時(shí)，閥口的流通面積越大，調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)越高。此外，隨著閥口面積的增加，閥座尺寸對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的影響越來越趨于一致，即隨著閥座尺寸的增加而增加。

圖9 最大閥口流通面積均為FA2時(shí)不同閥座尺寸下調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)Fig.9 The flow coefficient of the regulating valve under different seat sizes when the maximum valve port flow area is FA2

圖10 最大閥口流通面積均為FA2時(shí)不同閥座尺寸下調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的差值（與閥座直徑為36 mm時(shí)的調(diào)節(jié)閥相比）Fig.10 The difference in flow coefficient of the regulating valve under different seat sizes when the maximum valve port flow area is FA2 （compared with the regulating valve with a seat diameter of 36 mm）

3 結(jié)論

（1）統(tǒng)計(jì)學(xué)方法如正交試驗(yàn)方法可以用來對(duì)調(diào)節(jié)閥閥體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并減少分析時(shí)間，且方法具有較高的準(zhǔn)確性。

（2）閥體的入口腔和中腔的流道結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)影響最大。

（3）調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)主要受閥口流通面積控制。但當(dāng)調(diào)節(jié)閥閥口流量面積一定時(shí)，閥座的直徑越大，調(diào)節(jié)閥的流通能力越高。