王兆然

(環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082)

0 引 言

傳統(tǒng)的流量閥主要以電磁滑閥式結(jié)構(gòu)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(dòng)密封面之間的間隙很小，容易造成閥芯卡死;應(yīng)用于雜質(zhì)較多的液體時(shí)容易堵死(如油漆、石油等)，導(dǎo)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(jīng)常拆卸的場(chǎng)合。

針對(duì)油漆等容易存在懸浮顆粒的場(chǎng)合，研究人員設(shè)計(jì)了一種膜片式流量閥。膜片式流量閥目前主要用于微執(zhí)行機(jī)構(gòu)中［3-7］，這種流量閥利用控制氣體壓力的變化驅(qū)動(dòng)彈性膜片的形變，改變閥口開(kāi)度，達(dá)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(zhì)堵死失效的問(wèn)題［8］。另外，膜片式流量閥能實(shí)現(xiàn)電液分離，對(duì)于腐蝕場(chǎng)合，解決了由于液體泄露而腐蝕電纜的問(wèn)題。

本研究首先根據(jù)膜片式流量閥工作原理提出該流量閥的結(jié)構(gòu)示意圖，通過(guò)比較不同閥口的流量特性以確定閥芯的結(jié)構(gòu)，最后利用FLUENT軟件對(duì)不同閥芯位置的流場(chǎng)進(jìn)行仿真并得出該膜片式流量閥的流量特性，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

1 流量閥的結(jié)構(gòu)和工作原理

膜片式流量閥結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)過(guò)程中，彈簧應(yīng)始終處于壓縮位置。初始狀態(tài)時(shí)，閥芯在彈簧作用下關(guān)閉閥口，P2口處沒(méi)有流量;隨著P1處氣壓的增大，膜片在氣壓的作用下推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)，閥口逐漸打開(kāi)，P2口處流量隨之增大。

圖1 膜片式流量閥結(jié)構(gòu)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(yīng)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(guò)流面積，Cd—流量系數(shù)，Δp—進(jìn)出口壓差，ρ—介質(zhì)密度。

由式(1)可以看出，閥口的過(guò)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(duì)這兩種閥口的流量特性進(jìn)行比較。閥口形式如圖2(a)、2(b)所示。

球閥閥口過(guò)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(shí)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(biāo)位置和閥口過(guò)流面積的關(guān)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(guò)流面積的關(guān)系

由圖3可以看出，球閥的過(guò)流面積呈現(xiàn)較好的線性趨勢(shì)，因此閥芯結(jié)構(gòu)本研究選擇球閥形式。對(duì)于不同的 θ值，x取值范圍的上限不同，θ=30°，45°和 60°時(shí)，x最大值分別為6.93 mm，4.55 mm 和 3.97 mm，其最大值對(duì)應(yīng)的過(guò)流面積分別為 98.6 mm2，73.0 mm2，56.33 mm2。由以上數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)θ取較小角度時(shí)，閥芯行程大且過(guò)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(jìn)行仿真和試驗(yàn)。

3 內(nèi)部流場(chǎng)仿真

3.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

本研究采用FLUENT軟件對(duì)流量閥的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真，由于閥芯為非軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，采用三維模型進(jìn)行建模。采用相同的輸入/輸出條件，通過(guò)仿真結(jié)果可得出不同閥芯位移下的流量值，采用上節(jié)中圖2(b)的球閥結(jié)構(gòu)，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°?？捎?jì)算出閥芯行程為3 mm，每隔0.3 mm建模并仿真。

表1 xi對(duì)應(yīng)的閥芯位移

本研究對(duì)x1～x11分別建模并劃分網(wǎng)格，由于其建模過(guò)程類似，在此僅對(duì)x6處的物理模型及網(wǎng)格劃分進(jìn)行介紹。由于該膜片式流量閥的對(duì)稱性，只需要畫(huà)出一半網(wǎng)格就可以進(jìn)行計(jì)算，大大減少了計(jì)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(chǎng)較為復(fù)雜，本研究對(duì)其進(jìn)行局部加密處理，流道較窄的位置采用尺度較小的網(wǎng)格，入口和出口處采用相對(duì)大的網(wǎng)格，在保證精度的情況下，減少網(wǎng)格數(shù)量，以便于計(jì)算。

我院此次研究通過(guò)對(duì)比兩組不同的護(hù)理服務(wù)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(hù)理服務(wù)滿意度和生活質(zhì)量。通過(guò)對(duì)比常規(guī)護(hù)理服務(wù)措施和在執(zhí)行常規(guī)護(hù)理服務(wù)措施的同時(shí),額外在患者入院時(shí)采取良肢擺放的方法,發(fā)現(xiàn)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(zhì)量,而且可以增加患者的護(hù)理服務(wù)滿意度。

Tet/Hybrid方式的網(wǎng)格主要包含四面體網(wǎng)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(duì)于本研究所述的復(fù)雜形狀的模型，常用Tet/Hybrid進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以保證較高的精度。經(jīng)過(guò)劃分，共有203 539個(gè)四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分結(jié)果

3.2 基本假設(shè)

為了簡(jiǎn)化模型，本研究作出如下假設(shè):

(1)液相為牛頓流體;

(2)流場(chǎng)為等溫流動(dòng)，即忽略溫度變化對(duì)流場(chǎng)造成的影響;

(3)忽略重力、浮力和蒸發(fā)的影響。

3.3 控制方程

3.3.1 平均 N-S方程

由于瞬時(shí)Navier-Stokes方程的非線性導(dǎo)致精確描寫(xiě)三維時(shí)間相關(guān)的全部細(xì)節(jié)極端困難，需要極大的計(jì)算支持。在工程應(yīng)用中常采用時(shí)均的Reynolds模型(RANS)，另外，RNGκ-ε模型對(duì)有旋流的場(chǎng)合有較高的精度，因此，本研究基于時(shí)均的連續(xù)性方程和RNGκ-ε 模型為［16-19］:

3.3.2 RNG κ-ε 模型

設(shè):

式中:Pk—湍動(dòng)能生成項(xiàng)。其表達(dá)式如下:

在式(11，12)中包含 4 個(gè)系數(shù) Cε1，Cε2，σk，σε，這些系數(shù)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(jìn)口，進(jìn)口壓力0.4 MPa;

(2)出口邊界:計(jì)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(wú)滑移標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法;

(4)流體介質(zhì):經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得室溫下介質(zhì)的密度為1.65 ×103kg/m3，粘度為0.003 kg/(m·s)，作為流體介質(zhì)的輸入。

3.5 仿真結(jié)果

本研究討論特定壓力輸入、不帶負(fù)載情況下出口(圖1中P2口)的穩(wěn)態(tài)流量特征，膜片式流量閥在不同閥芯位置下的流量特點(diǎn)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(yàn)

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

膜片式流量閥試驗(yàn)原理圖如圖6所示。該試驗(yàn)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(wěn)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(cè)出，液體輸入壓力可由壓力表讀出，輸出流量可由流量計(jì)測(cè)出。

圖6 膜片式流量閥試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)中，實(shí)際輸入油壓為0.4 MPa，控制氣壓力由0 MPa開(kāi)始逐漸增大，當(dāng)控制氣壓達(dá)到0.028 MPa時(shí)，圖1所示流量調(diào)節(jié)出口P2開(kāi)始有流量，認(rèn)為該壓力是膜片式流量閥的臨界工作壓力;當(dāng)控制氣壓增大至0.145 MPa，再增大控制氣壓，流量調(diào)節(jié)出口P2流量保持不變，認(rèn)為該壓力下閥芯位移達(dá)到最大值，即為3.0 mm。膜片式流量閥工作時(shí)，由于液動(dòng)力的存在，輸入氣壓和閥芯位移之間不呈線性關(guān)系。但是，由于該閥液動(dòng)力相對(duì)于氣壓對(duì)閥芯的力可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)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(zhuǎn)化為閥芯位移值，以對(duì)比仿真以及試驗(yàn)結(jié)果。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

膜片式流量調(diào)節(jié)閥試驗(yàn)值和仿真值之間的關(guān)系如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該膜片式流量閥的流量調(diào)節(jié)特性適用于要求一般的低壓流量調(diào)節(jié)場(chǎng)合;另外，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)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(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了有力依據(jù)。

圖7 膜片式流量閥流量特性

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)為了適應(yīng)油漆等容易存在懸浮顆粒的場(chǎng)合，本研究設(shè)計(jì)了膜片式流量閥。該流量閥利用壓縮氣體驅(qū)動(dòng)彈性膜片，帶動(dòng)閥芯移動(dòng)調(diào)節(jié)閥口開(kāi)度，能夠達(dá)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(zhì)堵死而失效的問(wèn)題。

(2)本研究闡述了膜片式流量閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及流量調(diào)節(jié)原理，在這個(gè)基礎(chǔ)上，比較了錐閥和球閥閥口的過(guò)流面積特性，確定了膜片式流量閥的閥芯為球閥形式。對(duì)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(wǎng)格，利用RANS模型以及RNG κ-ε模型模擬出膜片式流量閥的內(nèi)部流場(chǎng)，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(yàn)臺(tái)，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(cè)試結(jié)果顯示，仿真和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，該膜片式流量閥結(jié)構(gòu)緊湊，流量特性能夠適應(yīng)精度要求一般的低壓場(chǎng)合。

［1］張 弓，于蘭英，吳文海，等.電液比例閥的研究綜述［J］.液體傳動(dòng)與控制，2008，31(6):1-5.

［2］ERYILMAZ B.Improved Nonlinear Modeling and Control of Electro Hydraulic Systems［D］.Boston.Massachusetts:Northeastern University，2000:12-40.

［3］ABATE A R，WEITZ D A.Single-layer membrane valves for elastomeric microfluidic devices［J］.Applied Physics Letters，2008，92(24):243509-243512.

［4］ABATE A R，AGRESTI J J，WEITZ D A.Microfluidic sorting with high-speed single-layer membrane valves［J］.Applied Physics Letters，2010，96(20):203509-203512.

［5］YANG X，GROSJEAN C，TAI Y C，et al.A MEMS thermopneumatic silicone rubber membrane valve［J］.Sensors and Actuators A，1998，64(1):101-108.

［6］SINHA A E，JOHNSON K J，PRAZEN B J，et al.Comprehensive two-dimensional gas chromatography of volatile and semi-volatile components using a diaphragm valve-based instrument［J］.Journal of chromatography A，2003，983(1-2):195-204.

［7］JAIRAZBHOY V，STEVENSON R C.Mathematical modeling of molten metal dispensing:a study of a pneumatically actuated diaphragm-driven pump［J］.Applied Mathematical Modeling，2008，32(2):141-169.

［8］蔡世龍.膜片式流量調(diào)節(jié)閥［J］.石油機(jī)械，2006，34(2):31-32.

［9］王春行.液壓控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

［10］李 輝，柯 堅(jiān)，劉曉紅.基于CFD的液壓錐閥結(jié)構(gòu)特性分析［J］.流體機(jī)械，2009，37(9):33-36.

［11］鄭淑娟，權(quán) 龍，陳 青.閥芯運(yùn)動(dòng)過(guò)程液壓錐閥流場(chǎng)的CFD計(jì)算與分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(1):168-172.

［12］冀 宏，王東升，丁大力，等.非全周開(kāi)口滑閥閥口面積的計(jì)算方法［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，34(3):48-51.

［13］冀 宏，傅 新，楊華勇.幾種典型液壓閥口過(guò)流面積分析及計(jì)算［J］.機(jī)床與液壓，2003(5):14-16.

［14］賀小峰，黃國(guó)勤，楊友勝，等.球閥閥口流量特性的試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2004，40(8):30-33.

［15］陳云富.水壓錐閥閥口流場(chǎng)的仿真研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8(9):2431-2434.

［16］王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［17］董增勇，李 偉.微型動(dòng)靜壓軸承FLUENT仿真研究［J］.輕工機(jī)械，2012，30(3):36-39.

［18］徐 鵬，魏修亭，李春花，等.離心泵內(nèi)部流場(chǎng)數(shù)值模擬與性能分析［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2012(3):72-73.

［19］INC F.FLUENT 6.1 User's Guide［M］.Lebanon，NH，America:Fluent Inc.，2003.