以數字V型球閥為研究對象，建立了閥門內流場幾何模型與網格模型，運用CFD相關理論與軟件，仿真分析了閥門內部的三維流場，得到了V型球閥恒壓差、不同開度下的體積流量與相對流量等數據。研究了數字V型球閥相對體積流量與相對開度的關系、步進電機數字脈沖信號與閥門開度的關系及步進電機數字脈沖信號與閥門相對開度的關系。建立了數字V型球閥的理想流量特性曲線、位移曲線與靜態特性曲線。

　　球閥由閥體、閥桿與球體等組成。球體在扭矩作用下旋轉，通過改變通流面積實現閥門啟閉與流量調節等功能。由于流阻小、密封性好、結構緊湊與壽命長等優點，球閥已被大量運用于管道系統中。V型球閥因球體有V型切口，具有切斷纖維等的作用，可防止纖維堵塞流道，適于輸送黏性介質、含顆粒物質流體，廣泛用于造紙等行業。同時，由于具有等百分比調節特性，球閥也廣泛用于流量調節。

　　調節閥設計者必須了解其流量特性、位移特性和靜態特性。施俊良推導了調節閥的直線流量特性、等百分比流量特性、快開流量特性和拋物線流量特性的理論公式;付衛東等根據調節閥的流量特性，推導出了調節閥流量公式;孫豐位建立了V型球閥通流面積計算公式，通過編程計算討論了其等百分比流量特性的結構優化問題;姚曉春利用數值仿真分析了V型球閥內的流場，研究了其流量特性并進行了結構優化;明錫東推導了氣動調節閥的位移特性與靜態特性。

　　筆者運用CFD相關理論與軟件，研究了自行設計的數字V型球閥的理論流量特性、位移特性和靜態特性，運用Fluent仿真分析數字V型球閥內流道的三維流場，得到了V型球閥在恒壓差和不同開度下體積流量與相對流量等數據，研究其相對體積流量與相對開度的關系和步進電機數字脈沖信號與閥門開度的關系，最終繪出數字V型球閥的流量特性曲線、位移曲線與靜態特性曲線，為數字V型球閥的研發提供了借鑒，也為其他類型的數字調節閥的研究提供了借鑒。

1、數值仿真計算

　　1.1、幾何模型

　　根據V型球閥設計參數DN=50mm與PN=1.5MPa，參考閥門設計手冊，完成設計計算，繪制二維圖紙。為了使用CFD數值仿真，需延伸閥門的上下管道，采用Solidworks，建立V型球閥三維實體模型(見圖1)，通過布爾運算，提取V型球閥在相對開度為100%時流道的三維幾何模型(見圖2)。

圖1 V型球閥的幾何模型

圖2 相對開度100%流道幾何模型

　　1.2、數學模型

　　1.3、計算域及邊界條件

　　1)選取計算區域。取V型球閥及閥門前5×D處管道和閥門后10×D處管道內的流道為計算區域，保證進出口邊界處湍流充分發展，計算穩定流動。2)網格劃分。由于閥體內流道幾何形狀與流場分布復雜，需要高密度網格才能保證計算的準確性，而管道內的流道幾何形狀簡單，低密度網格就可以保證計算精度。本文分塊劃分計算區域網格，分為閥前管道部分、閥體部分和閥后管道部分。閥前、閥后管道部分均采用低密度網格，閥體部分采用高密度網格，兼顧了計算精度和計算經濟性，同時，可避免在網格劃分過程中使用T-Grid體網格出現負體積，使網格生成失敗。圖3為相對開度為100%時的網格模型。3)邊界條件。調節閥流量計算公式為Q=C(Δp/ρ)-2，調節閥額定流通能力C100指閥門開度達最大、閥門前后兩端壓差為10⁵Pa及介質密度為1g/cm3時，流經閥門的體積流量(m3/h)。分析不可壓縮流體的理想流量特性，可把閥門前后壓差定為105Pa。筆者根據脫硫除塵工藝要求，取V型球閥的PN=1.5MPa，則閥前后端壓強分別為1.5MPa和1.4MPa。介質為常溫狀態下的水，壁面邊界條件是絕熱的，與外界無能量交換。

圖3 相對開度為100%時的網格模型

　　1.4、數值模擬及結果

　　分別將相對開度為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%與100%V型球閥的網格模型導入計算流體動力學仿真軟件Fluent中，仿真計算相關數據。表2為各開度下體積流量等相關數據，圖4、圖5分別為相對開度100%時的壓力與速度云圖。

表2 閥門開度與體積流量

圖4 相對開度為100%時的壓力云圖

圖5 相對開度為100%時的速度云圖

2、數字V型球閥理想流量特性、位移特性與靜態特性研究

　　按照脈沖信號的方向和大小，通過改變閥芯角位移，改變V型球閥的阻力系數，達到調節流量的目的。數字V型球閥由執行機構和V型球閥兩部分組成。執行機構是數字V型球閥的驅動裝置，由步進電機與減速器組成，它按脈沖信號的數目產生相應的轉角，使閥桿產生相應的角位移，從而帶動V型球閥閥芯動作;球閥是調節部分，它直接與介質接觸，由步進電機主軸的角位移改變調節閥的節流面積而調節流量。

　　在實際使用中，調節閥通常需要得到流量的控制信號，傳統的分析方法將控制信號與流量的關系分解成控制信號與行程的關系和行程與流量的關系兩部分。控制信號與行程的關系稱為位移特性，行程與流量的關系稱為流量特性;調節閥控制信號與靜態時的流量關系稱為靜態特性，與動態時的流量關系稱為動態特性。下面研究數字V型球閥的理想流量特性、位移特性與靜態特性。

　　2.1、理想流量特性

　　流量特性是指流體流過調節閥流道的相對流量和閥芯相對開度之間的關系，即Q/Qmax=f(l/lmax)。相對流量是指閥門在某一開度下的流量Q與全開度下流量Qmax之比;l/lmax是相對開度，即閥門在某一開度下的行程l與全開度下行程lmax之比.理想流量特性是指調節閥在恒定壓差下的流量特性.理想流量特性分為快開、拋物線、等百分比與直線流量特性.等百分比理想流量特性指單位相對位移變化Δl/ΔL引起的相對流量變化ΔQ/ΔQmax與其相對流量Q/Qmax成正比，可表示為d(QQmax)/d(lL)=KQ/Qmax，兩端積分

　　圖6是R=30時等百分比調節閥的理想流量特性曲線，圖7是根據表2繪制的V型球閥理想流量特性曲線。對比圖6與圖7兩條曲線可以看出，設計的V型球閥理想特性曲線走勢與等百分比理想流量特性曲線趨于一致，具有較好的等百分比調節特性。

圖6 參考理想流量特性曲線

圖7 理想流量特性曲線

　　2.2、位移特性數字

　　V型球閥脈沖信號與行程的關系稱為位移特性。筆者選用的步進電機步距角為1.8°，即控制器每發出一個脈沖，步進電機的主軸轉動1.8°。設計的減速器減速比i=32，控制信號的脈沖數p與閥桿行程轉角l的關系為l=P´1.8/32=0.05625P(°)，0≤P≤1600。圖8為數字V型球閥的位移特性曲線，由圖8可見，數字V型球閥脈沖信號數目與行程成線性關系。

圖8 位移特性曲線

　　2.3、靜態特性

　　將位移特性公式代入流量特性公式中，消去行程l，便建立了控制信號P與流量Q間的函數關系。將L=90(°)、l=P´1.8/32=0.05625P(°)代入Q/Qmax=R(l/L-l)，得Q/Qmax=R(6.25´10-4P-1)，0≤P≤1600。

　　可以根據脈沖數與流量的關系，通過控制向步進電機發射脈沖的數目，達到實時控制V型球閥流量的目的。圖9為數字V型球閥的靜態特性曲線。

圖9 數字V型球閥靜態特性曲線

3、結束語

　　本研究通過分析數字V型球閥數值模擬及數據處理結果得到了以下結論：

　　1)建立數字V型球閥閥體內流場幾何模型、劃分網格模型與設置合理邊界條件，分析了數字V型球閥的CFD流場，得到了壓力云圖、速度云圖和體積流量等數據;處理了流場分析數據，繪制了數字V型球閥的理想流量特性曲線，該曲線與等百分比流量特性曲線的走勢具有很好的一致性，充分說明設計的數字V型球閥具有很好的等百分調節功能，設計是合理的。

　　2)建立了步進電機脈沖數P與閥桿行程轉角l的數學關系，繪制了數字V型球閥的位移特性曲線，由此可得到步進電機脈沖數P與閥桿行程轉角l成線性比例關系。

　　3)將步進電機脈沖數P與閥桿行程轉角l間的數學關系代入流量特性公式中，建立了步進電機脈沖數P與V型球閥的體積流量的關系，繪制了數字V型球閥的靜態特性曲線，為調節閥控制系統的設計提供了數據依據，也為其他類型的數字調節閥的研發提供了借鑒。