CN102506211A - 快速加压理想的截止阀控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械控制领域，具体为一种快速加压理想的截止阀控制方法。根据流体力学原理，建立快速加压数学模型，通过实验测得截止阀阻力系数与开度的函数关系，并将理想的指数加压曲线代入模型，推导出截止阀开度与时间的变化规律，再根据截止阀开度与手轮转动圈数的对应关系，得到截止阀控制理想加压过程的具体操作方法。本发明所述控制方法实现了快速加压按照理想指数加压曲线的精确控制，使快速加压过程的安全性得到提高。

Description

快速加压理想的截止阀控制方法

技术领域

本发明属于机械控制领域，具体为一种快速加压理想的截止阀控制方法。

背景技术

快速加压法逃生法是当今潜水器在水下运行时最常用的逃生依法，其关键在于压力变化曲线要贴近于符合人体需求的指数变化曲线，特别是加压平衡时间应该在理想指数曲线加压平衡时间附近，否则如果加压时间过长，潜水员体内累积的氮张力会超过安全量范围从而发生减压病，如果加压时间过短，则潜水员调压速度跟不上压力增加速度，则会引起潜水员耳膜压破等症状。因此，加压时间的长短一定要控制在指数加压曲线附近才是最符合人体需求。

指数加压曲线方程为：p＝2^1/b(h)

其中，P为压力，ATA；

b(h)为加压时间周期，随不同的加压深度而变化：50米，80米，100米，150米，185米时的b(h)分别为b(50)，b(80)，b(100)，b(150)，b(185)＝20，12，10，6，4。

因此利用流体力学原理计算出在理想指数加压的情况下截止阀开度的变化规律，从而提供快速加压的安生的控制方法，能极大提高快速上浮脱险的安全性。

发明内容

本发明的目的在于设计一种安全、准确的快速加压理想的截止阀控制方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案具体为：

图1中p₀为海面大气压(1Atm)，水深H＝180m，加压筒高L＝2m，直径为1m，加压筒和管道截面积分别记为A和B，加压筒内气体高度为h(t)，加压筒内气体压力为p(t)，海水密度ρ₁＝1000kg/m³，加压筒入口处截止阀为Valve。

假定阀们全部打开时为t＝0时刻，该时刻加压筒内气体满足：压强p(t)＝p₀，密度ρ(t)＝ρ₀，高度h(t)＝h₀。

根据准定常Bernoulli方程可得：

$p_0+{\mathrm{\ρ}}_1\mathrm{gh}=p\left(t\right)+{\mathrm{\ρ}}_{1}g(L-h\left(t\right))+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρ}}_1{V}^2\left(t\right)---\left(1\right)$

因为H远大于L，所以近似后有：

$\frac{p\left(t\right)}{p_0}\≈1+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{\mathrm{\ρ}}_0}\mathrm{gH}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_1}{{2\mathrm{\ρ}}_0}{V}^2\left(t\right)---\left(2\right)$

又根据质量守恒原理得：

$\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dt}}=-\frac{B}{A}V\left(t\right)---\left(3\right)$

最后假定筒内气体满足等温过程，即有：

$\frac{p\left(t\right)}{p_0}=\frac{\mathrm{\ρ}\left(t\right)}{{\mathrm{\ρ}}_0}=\frac{h_0}{h\left(t\right)}---\left(4\right)$

通过公式(1)～(4)可知：

考察筒内的气体。由于符合等温过程，即有：

$h\left(t\right)=\frac{p_0{h}_0}{p\left(t\right)}=2^{-\frac{t}{4}}{h}_0---\left(5\right)$

对于加压筒内液体的上升速度V₁(t)为：

$V_1\left(t\right)=-\frac{\mathrm{dh}}{\mathrm{dt}}=\frac{h_0\ln 2}{4}{2}^{-\frac{t}{4}}={-h}^{\′}\left(t\right)---\left(6\right)$

其次，计算阀门处的速度V₂。由质量守恒，假设阀门的过流截面积为C(t)(由阀门的开度可以得到，且不大于B)，则有：

$V_2\left(t\right)=\frac{V_1\left(t\right)A}{C\left(t\right)}=-\frac{h^{\′}\left(t\right)A}{C\left(t\right)}=\frac{{\mathrm{Ah}}_0\ln 2}{4C\left(t\right)}{2}^{-\frac{t}{4}}---\left(7\right)$

再次，考虑阀门处到海平面这一段液体，根据带有具备阻力的伯努利方程：

$p\left(t\right)+\mathrm{\ρg}(L-h\left(t\right))+\frac{1}{2}{\mathrm{\ρV}}_2^2+\frac{1}{2}{\mathrm{\ϵ\ρV}}_2^2=p_0+\mathrm{\ρgH}---\left(8\right)$

因此应满足：

$-\frac{h^{\′2}\left(t\right)}{2}(1+\mathrm{\ϵ}\left(t\right))\mathrm{\ρ}\frac{A^2}{C^2\left(t\right)}=p_0-p\left(t\right)+\mathrm{\ρg}(H-L+h\left(t\right))---\left(9\right)$

于是，可得：

$\frac{1+\mathrm{\ϵ}\left(t\right)}{C^2\left(t\right)}=-\frac{2(p_0-p\left(t\right)+\mathrm{\ρg}(H-L+h\left(t\right)))}{A^2{\mathrm{\ρh}}^{\′2}\left(t\right)}---\left(10\right)$

对管道内径DN100的截止阀分别进行实验，利用狄克松准则对所测得的大量实验数据进行筛选，然后绘制阀门阻力系数随开启度的变化曲线。通过对实验曲线的拟合，可以得到DN100的截止阀阻力系数ε与开度K的函数关系：

ε＝a*b^1/K*(1-K)^c    (11)

其中，a＝106.4847，b＝1.0171，c＝4.0747，K为阀门开启度。

根据公式 $C=\frac{C_N}{K_V*\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}---\left(12\right)$

以及截止阀流量系数K_V与开度K的关系式：

K_V＝K_Vmax*50^(K-1)    (13)

其中K_vmax为额定流量系数

通过上面求出的阻力系数ε与开度K的函数关系，便可以推导出阀门过流截面积C与开度K的函数关系。

将阀门阻力系数ε和阀门过流截面积C表示为开度K的函数后，代入到公式(10)中，公式左边成为一个开度K的关系式，公式右边是关于理想指数函数p(t)的一个函数，把理想指数函数p(t)＝p₀*2^t/4代入，则可以得到任意一种控制阀门开度K与时间t的变化规律关系式K＝f(t)，从而得到了截止阀开度K随时间t变化的规律。按照这种规律去调整截止阀的开度，便可以使加压过程按照理想指数加压曲线去加压。

附图说明

图1为快速加压模型图。

图2为DN100截止阀阻力系数随开启度变化实验测试图

图3为DN100截止阀阻力系数随开启度的变化曲线。

图4为DN100截止阀开度随时间变化曲线。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明做进一步说明。

实施例

如图1为快速加压模型图。在加压开始前，加压筒内压力为一大气压，筒底部连接一根直径100mm的进水管，进水管上安装了DN100的截止阀，且阀处于关闭状态。加压筒放在一定深度的水底。当开始加压时，打开截止阀，外界的海水便由于压力作用流入到加压筒内，压缩筒内空气，直到筒内气体与外界水压的压力平衡时，加压过程停止。在打开截止阀的过程中，按照一定的规律调节阀门的开度，则进水速度会受到控制，从而使筒内气体压力以理想的规律变化。

1、通过流体力学方程得到控制快速加压的数学模型：

$\frac{1+\mathrm{\ϵ}\left(t\right)}{C^2\left(t\right)}=-\frac{2(p_0-p\left(t\right)+\mathrm{\ρg}(H-L+h\left(t\right)))}{A^2{\mathrm{\ρh}}^{\′2}\left(t\right)}$

其中ε为截止阀流阻系数，C为截止阀过流截面积，p(t)为理想的压力变化指数曲线。

2、阀门流阻力系数ε与开度K的函数关系：

阀门流阻系数与开度变化规律实验在如图2所示的实验系统中完成。

通过压差传感器与超声波流量计分别测出阀门在每一开度下的过阀压差与流量，再由公式

计算待测阀门在每叶开度下的局部阻力系数ε。

本发明道内径DN100的截止阀分别进行实验，利用狄克松准则对所测得的大量实验数据进行筛选，然后绘制阀门阻力系数随开启度的变化曲线。

实验结果如图3所示。

由图3可以看出，当阀门开度为0时，阻力系数是趋于无穷大；当阀门开度为1时，阻力系数接近于0.由此规律，通过实验曲线的拟合，可以得到阻力系数ε与开度K的函数关系：

ε＝a*b^1/K*(1-K)^c

其中，a＝106.4847，b＝1.0171，c＝4.0747，K为阀门开启度。

3、阀门过流截面积C与开度K的变化关系：

根据公式 $C=\frac{C_N}{K_V*\sqrt{\mathrm{\ϵ}}}$

以及流量系数K_V与开度K的关系式

K_V＝K_Vmax*50^(K-1)

通过求出的阻力系数ε与开度K的函数关系，便可以推导出阀门过流截面积C与开度K的函数关系。

4、计算结果与讨论：

将阀门阻力系数ε和阀门过流截面积C表示为开度K的函数后，代入到公式(10)中，公式左边成为一个开度K的关系式，公式右边是关于理想指数函数p(t)的一个函数，把理想指数函数p(t)＝p₀*2^t/4代入，则可以得到任意一种控制阀门开度K与时间t的变化规律关系式K＝f(t)，从而得到了截止阀开度K随时间t变化的规律。按照这种规律去调整截止阀的开度，便可以使加压过程按照理想指数加压曲线去加压。

将本设计中使用的管径为DN100的截止阀的相关参数代入到上述的分析计算中，以180米快速上浮脱险为例，得到在管径为100mm时，截止阀开度随时间的变化规律的函数关系式为：

K＝0.2141*(2^t/8-1)

阀门开度随时间的变化规律如图4所示为条类似指数函数的曲线，随着时间的变化，阀门开度逐渐变大，到20秒左右完全打开。

实验中使用的截止阀在完全打开时需要拧转手轮共10圈，则每圈相当于开度的10％，根据上述规律可得出如表1所示的截止阀开启规律：(s)

表1.截止阀的开启规律

圈数	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
											时间	4.4	7.6	10.1	12.1	13.9	15.4	16.7	17.9	19.0	20.0

即，在第4.4秒时刻开启第一圈，在每7.6秒时刻开启第二圈，如此类推，到每20秒时完全打开。以此方式控制阀开启度，可以使加压筒内压力变化曲线按照所给定的指数加压曲线变化。

Claims (8)

1.一种快速加压理想的截止阀控制方法，系统包括加压筒、进水管路、截止阀。加压筒为直径1m，高2m的圆柱形筒，进水管直径为100mm。加压开始前加压筒内压力为常压，筒外为一定水深的海水。所述控制方法其特征在于：加压开始后，按照一定的规律开启截止阀，筒外海水由于压力作用流进加压筒中，压缩筒内空气，直到进水管两端压力相同时加压停止。

2.如权利要求1所述的快速加压理想的截止阀控制方法，其特征在于得出的截止阀流阻系数ε、截止阀过流截面积C与筒内压力p(t)的关系式为：

3.如权利要求1所述的快速加压理想的截止阀控制方法，其特征在于所述管道内径DN100的截止阀为上阀杆直通式截止阀，其流阻系数ε与截止阀开度K的关系通过实验曲线的拟合可得：

ε＝a*b^1/K*(1-K)^c

其中，a＝106.4847，b＝1.0171，c＝4.0747，K为阀门开启度。

4.如权利要求1所述的快速加压理想的截止阀控制方法，其特征在于所述截止阀过流截面积C与开度K的变化关系为：

其中C_N为截止阀全开时的截面积。

5.如权利要求1所述的快速加压理想的截止阀控制方法，其特征在于所述截止阀流量系数K_V与开度K的关系式：

K_V＝K_Vmax*50^(K-1)

其中K_vmax为额定流量系数。

6.如权利要求1所述的快速加压理想的截止阀控制方法，其特征在于：由公式 

分析，公式的左边阻力系数δ与过流截面积C均 可表示为阀门开度K的函数，公式右边是关于理想指数函数p(t)的一个函数，把理想指数函数p(t)＝p₀*2^t/4代入，则可以得到任意一种控制阀门开度K与时间t的变化规律关系式K＝f(t)。

7.如权利要求1所述的快速加压理想的截止阀控制方法，其特征在于：将本设计中使用的管径为DN100的截止阀的相关参数代入到上述的分析计算中，以180米快速上浮脱险为例，得到在管径为100mm时，截止阀开度随时间的变化规律的函数关系式为：

K＝0.2141*(2^t/8-1)。

8.如权利要求7所述的快速加压理想的截止阀控制方法，其特征在于：实验中使用的截止阀在完全打开时需要拧转手轮共10圈，则每圈相当于开度的10％，根据上述规律可得出截止阀的开启规律：

  圈数   1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   时间   4.4   7.6   10.1   12.1   13.9   15.4   16.7   17.9   19.0   20.0

即，在第4.4秒时刻开启第一圈，在每7.6秒时刻开启第二圈，如此类推，到每20秒时完全打开。 

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