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2014/6/10
自力式温控阀流场的数值模仿及优化

1 前语
    自力式温控阀是一种全主动的流体温度和流量操控设备。它的作用是当两种温度不一样的流体分别通入阀腔,经过温控阀内件主动调理两者的流量,使出口温度坚持稳定,而无需外加驱动和操控设备。作为一种新式阀门,温控阀在我国的使用日益广泛,首要使用于电站发电机组和离心紧缩机组等大型的高速反转机组的轴承润滑冷却体系以及其它对流体有温度操控需求的体系中,它具有构造简略、功能可靠和节能等长处。
    用于自力式温控阀的感温元件有不一样的类型,如形状回忆合金、双金属片等,可是当前较多选用的是蜡质感温元件。迄今,国内外对选用蜡质感温元件的自力式温控阀多从感温包和机械构造的视点进行剖析研究,而很少使用数值模仿软件对温控阀的流道温度场剖析。这篇文章使用CFD软件FLUENT对某类型的温控阀进行数值模仿,对其温度场进行具体的剖析,以及对流道进行优化,使其可以非常好地发扬恒温操控的作用。
    2 自力式温控阀的构造及工作原理
    某一类型自力式温控阀的构造如图1所示。感温包是核心部件,它既是流体的感温元件,又是阀门的驱动元件,由感温蜡与铜沫混合物构成,其间铜沫首要起导热作用,可使感温包内、外的热量疾速传递及均匀散布。驱动力基于温度升高时蜡熔化的体积胀大。感温蜡的体积改变被锥形橡胶键扩大,并传给阀杆,改动调理筒的位移量,进而改动冷暖流体的流量,直抵到达预订温度。感温蜡与橡胶键之间设有一层橡胶隔阂,起阻隔作用。


图1 自力式温控阀构造暗示


    该自力式温控阀为三通阀,两进一出。暖流体首要进入温控阀(此时冷流体通道还处于封闭状况),经过调理筒内腔流经感温包。当感温包感知暖流体的温度高于设定温度值时,其内填的感温蜡发作相变,体积胀大,经过推进阀杆使调理筒发生位移,一起翻开冷流体通道(暖流体通道变小),所以冷流体流入温控阀,并与暖流体进行混合。冷、暖流体混合后,还要经过一小段空腔才抵达感温包,经过热交换温度到达必定值后,混合流体再经过感温包与温控阀出口之间的空腔室,终究流出温控阀。反之,当混合流体温度随着冷流体与暖流体的混合而降低时,感温蜡体积缩短,在复位绷簧的作用下疾速关小冷流体进口通道,开大暖流体进口通道,确保混合后的流体温度始格单元。
    终维持在给定的温度值。由此可见,阀杆的位移是蜡质感温驱动元件温度的函数。温度改变使阀杆和调理筒不断运动,调理冷暖流体的流量,实现对混合流体的温度操控。
    3 核算模型及网格区分
    使用SolidWorks三维实体建模软件,对图1所示的调理筒以上的阀腔流道建模。为模仿冷暖流体在阀腔内混合后的温度场状况,取某一时间冷暖流体份额为1:2的调理筒开度进行建模。在建模中略去绷簧和拉杆等阀内零部件,以便简化核算。使用核算流体力学软件FLUENT的前处理器GAMBIT软件对核算模型进行网格区分,如图2所示,整个流道共区分为39339个四面体网。


图2 模型的网格构造剖视图


    4 核算结果及剖析
    这篇文章所求解的根本方程是三维不可压N-S方程,湍流模型选用标准k-E模型。离散方程的求解方法选用非构造网格上的SIMPLE算法,一阶顶风格局。速度压力场选用隐式的全场迭代解法。温控阀内的流质为某牌号紧缩机润滑油,边界条件为速度进口和自在流出口,设定冷暖流体的进口流速均为0.5m/s。冷流体温度为295K,暖流体温度为325K。
    使用FLUENT软件对温控阀流道模型进行数值模仿,得到对称面上的速度矢量图和温度散布云图,如图3、4所示。从图中可以看出,阀门内的流场参数根本呈轴对称散布,这是因为核算模型是轴对称的,但流体处于湍流状况,流动十分复杂,因而不可能出现彻底轴对称,但总体上根本形成轴对称散布。从图中还可以看出,进口的冷暖流体经过阀内一段空腔的混合后,温度逐步均匀,有利于感温包感知实在准确的混合流体温度。但混合作用并不十分抱负,温度分层仍很显着,从感温包向外温度逐步降低。感温包顶部流体混合剧烈,但温度场也并未因而而极好地改善。依据理论核算,本例中混合后的平均温度是315K,可是,从温度散布云图可知,感温包所在的温度环境显着高于混合平均温度,感温包周围的温度约为318K摆布,这是因为感温包处的流体混合还不行充沛,因而感温包周围流体温度偏高,而壁面流体温度偏低,这样就会导致感温包对出口流体温度操控发生差错。为了进步温控阀控温的准确性,有必要对流道进行改善,以便使感温包周围的温度更挨近混合流体的平均温度。


图3 速度矢量图


图4 温度散布云图


    5 流道优化
    因为自力式温控阀感温包周围流场混合不行均匀,需求加强阀腔内冷暖流体混合的力度,因而思考在阀腔流道内加设节省挡板。为比照挡板方位对节省混合作用的影响,分别在感温包中部和下部加设挡板,建立了模型一和模型二。
    对改善流道进行数值模仿,得到改善后流场的温度散布,如图5、6所示。加设节省挡板后,感温包所在的温度环境显着改善,感温包简直彻底处于315K温度的围住之中,这是流体均匀混合后的准确温度。说明加设挡板后,十分有利于感温包对温度的准确感知,而且,模型一的改善作用要显着好于模型二。


图5 模型一的温度散布云图


图6 模型二的温度散布云图


    图7为模型一的速度矢量图,从图中可以看出,因为挡板的存在,大大加强了感温包周围流体的剧烈混合,因而能使感温包周围的温度场变得均匀,使其可以准确感知温度进而非常好地操控混合流体的温度。


图7 模型一的速度矢量图


    因为加设了节省挡板,阀内流体阻力会有所增大。阻力丢失可以经过数值模仿核算得到的阀门进出口压力丢失来衡量,如表1所示。从表中可以看出,加设挡板后阀门进出口压力丢失有必定增大,即阀门阻力增大,且模型一的压力丢失稍大于模型二。可是,因加设挡板而引起压力丢失的增幅并不大(由无挡板的1.0%增为模型一的1.8%),而关于自力式温控阀来说,感温控温的准确程度是其首要功能方面,感温包周围温度场的均匀准确更为重要,加设挡板能使温度场愈加均匀,可以非常好的添加感温包的控温准确度,因而加设挡板更有利于进步温控阀的使用功能,而且以感温包中部加设挡板的流道模型功能最优。


表1进出口压力丢失比照

核算模型

无挡板

模型一

模型二

进口压力(Pa)

出口压力(Pa)

压力丢失(%)

101647.2

100638.9

1.0

101647.7

99769.8

1.8

101646.3

100017.2

1.6


    6 结论
    (1)经过对自力式温控阀流场的数值模仿,可以具体把握阀内温度场散布状况,发现流场缺点,这有助于温控阀的优化规划,具有十分重要的实际意义;
    (2)在感温包中部加设节省挡板,尽管小幅度添加了一些阻力丢失,但可以使感温包周围流体充沛混合,使其周围温度场显着均匀准确,更有利于温控阀对流体温度的准确操控。

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