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建立了節(jié)流閥整體有限元數(shù)字模型，分析了節(jié)流閥的流量特性，進(jìn)行了不同開度下的流場網(wǎng)格劃分及邊界條件施加和求解，繪制了流量特性曲線，形成了關(guān)于節(jié)流閥流量特性求解的一般方法。

1、概述

節(jié)流閥是通過改變節(jié)流截面積控制流體流量的閥門，其主要由閥體、閥蓋、閥桿和閥瓣等零部件組成。閥門的節(jié)流元件閥瓣多為圓錐流線型，通過改變閥門的節(jié)流面積達(dá)到調(diào)節(jié)流量和壓力。隨著有限元軟件的發(fā)展，為節(jié)流閥閥瓣節(jié)流面設(shè)計(jì)帶來了更精確的方法，同時(shí)通過有限元求解對(duì)閥門不同開度下的流量進(jìn)行整合分析得到節(jié)流閥流量特性曲線，從而可以直觀的反應(yīng)該閥門的流量調(diào)節(jié)性能，滿足客戶的使用要求。

2、流場分析

應(yīng)用Solidworks軟件對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行整體有限元數(shù)模建立，通過Solidworks Flowworks對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行了不同開度下的流量測定。

2.1、數(shù)學(xué)模型

在Solidworks軟件中，應(yīng)用拉伸和旋轉(zhuǎn)等實(shí)體命令，建立實(shí)體模型，再應(yīng)用裝配模塊對(duì)各零部件進(jìn)行裝配(圖1) 。

圖1 閥門數(shù)學(xué)模型

2.2、網(wǎng)格劃分

將建立的立體數(shù)學(xué)模型，導(dǎo)入到Solidworks Flowworks模塊中，對(duì)其進(jìn)行流場網(wǎng)格劃分，分別對(duì)節(jié)流閥閥瓣開啟高度h 為4.5mm (圖2) 、9mm、13.5mm、18mm、22.5mm、27mm、31.5mm、36mm、40.5mm 和45mm 的節(jié)流閥流場網(wǎng)格劃分。

圖2 閥瓣開啟4.5mm 時(shí)節(jié)流閥流場網(wǎng)格

2.3、邊界條件加載

邊界條件是確定分析初始狀態(tài)，設(shè)定內(nèi)部流體為水，閥前設(shè)置流量為3m3/h，溫度為室溫，試驗(yàn)壓力為6kPa。

2.4、求解

應(yīng)用Solidworks Flowworks 求解器對(duì)節(jié)流閥不同開度下的流場進(jìn)行求解，從分析結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)開度為4.5mm 時(shí)，閥瓣與閥座附近最大流速為14.5m/s，流量為0.399t/h，閥瓣與閥座局部流體阻力很大，閥后流速很小，真空技術(shù)網(wǎng)（http://www.chvacuum.com/）認(rèn)為隨著閥瓣開啟高度的提高，閥后流速增加，流量增加，閥瓣與閥座局部阻力降低(圖3～圖7) 。

圖3 閥瓣開啟高度為4. 5mm 的流場分布

圖4 閥瓣開啟高度為9mm 的流場分布

圖5 閥瓣開啟高度為22. 5mm 的流場分布

圖6 閥瓣開啟高度為36mm 的流場分布

圖7 閥瓣開啟高度為45mm 的流場分布

3、流量特性曲線

根據(jù)節(jié)流閥的流量調(diào)節(jié)情況，節(jié)流閥從全開～全關(guān)閥瓣不同開度下的流場分析結(jié)果可以求解出閥瓣節(jié)流后的流量及壓差(表1) 。根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)繪制的流量特性曲線(圖8) 可以發(fā)現(xiàn)，該節(jié)流閥流量特性屬于等百分比調(diào)節(jié)。

表1 節(jié)流閥開度和流量特性

圖8 流量特性曲線

通過對(duì)節(jié)流閥流量特性曲線的有限元分析，確定了流量特性曲線的一般分析方法，為閥門優(yōu)化設(shè)計(jì)給出了改進(jìn)方向，大幅縮短了研發(fā)周期。