CN110334399B - 一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法 - Google Patents

一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法，包括步骤：S1，对全锥型的气阀进行数学建模，并计算得到全锥型的气阀通流面积的计算公式；S2，对锥台型气阀进行数学建模，并结合计算公式(1)，分别计算得到锥台型气阀流通面积的理论的计算公式(2)和计算公式(3)；S3，对锥台型气阀进行仿真模拟，并将结果与计算公式(2)、计算公式(3)分别进行对比，选择与仿真结果相同的公式作为该锥台型气阀流通面积的计算公式。本发明提供的用于气阀流通面积计算的仿真验证方法，能准确地计算锥台型气阀的流通面积和通过阀的流量。

Description

一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法
技术领域
本发明涉及气阀流通面积计算方法技术领域。更具体地说，本发明涉及一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法。
背景技术
目前的气阀主要由两种，一种为全锥型气阀，一种为平底断面的锥台型气阀，但在计算流量时却采用按完整锥面锥阀导出的流通面积计算公式，从而造成非常大的计算误差、不能准确指导设计的问题，采用计算机仿真，对锥台型气阀的出流特性进行了研究。通过分析阀内流场参数分布特征，判断锥阀过流断面位置。得出锥台型气阀的阀芯在大行程范围移动时过流断面面积变化存在关键的转折点，不同行程范围不同内外流流动状况过流断面位置不同，相对应的面积计算公式也不同。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种能准确地计算锥台型气阀的流通面积和通过阀的流量的用于气阀流通面积计算的仿真验证方法。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法，包括以下步骤：
S1，对全锥型的气阀进行数学建模，并计算得到全锥型的气阀通流面积的计算公式(1)为：
Figure BDA0002078990620000011
其中，α为锥阀全锥角，ds为阀座底孔直径，x为阀芯位移；
S2，对锥台型气阀进行数学建模，并结合计算公式(1)，分别计算得到锥台型气阀流通面积的理论的计算公式(2)和计算公式(3)；
S3，对锥台型气阀进行仿真模拟，并将结果与计算公式(2)、计算公式(3)分别进行对比，选择与仿真结果相同的公式作为该锥台型气阀流通面积的计算公式。
优选地，根据公式(2)，锥台型气阀流通面积的计算方法为：
当
Figure BDA0002078990620000021
Figure BDA0002078990620000022
当
Figure BDA0002078990620000023
Figure BDA0002078990620000024
其中，dlim为极限升程对应的锥台直径，ds为阀座底孔直径，α为锥阀全锥角，x为阀芯位移，xlim为阀芯极限升程，dr为阀芯锥台直径，
Figure BDA0002078990620000025
为横截面直径dr时阀芯位移，
Figure BDA0002078990620000026
为阀座通流面积对应的锥台型气阀阀芯位移。
优选地，根据公式(3)，锥台型气阀的流通面积的计算方法为：
当
Figure BDA0002078990620000027
Figure BDA0002078990620000028
当
Figure BDA0002078990620000031
Figure BDA0002078990620000032
其中，dlim为极限升程对应的锥台直径，ds为阀座底孔直径，α为锥阀全锥角，x为阀芯位移，xlim为阀芯极限升程，dr为阀芯锥台直径，
Figure BDA0002078990620000033
为横截面直径dr时阀芯位移，
Figure BDA0002078990620000034
为阀座通流面积对应的锥台型气阀阀芯位移。
优选地，采用SimericsMP或ansys软件对所述锥台型气阀进行计算机仿真模拟。
优选地，步骤S3所述的仿真结果包含速度云图、质量流量曲线。
本发明至少包括以下有益效果：
采用本发明提供的用于气阀流通面积计算的仿真验证方法，能准确地计算锥台型气阀的流通面积和通过阀的流量。同时，对比内外流流动状况的阀内流场特征，结合确立的过流断面，指出对于锥台型气阀流动应考虑孔口节流损失和进出阀口局部损失的混合作用，内外流流动时进出阀口局部损失的不同是内外流流量特性不同。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明实施例一具体的实施流程图；
图2为本发明实施例一所述增压缸中单向锥阀的结构示意图；
图3为本发明实施例一所述全锥型气阀的示意图；
图4为本发明实施例一的锥台型气阀的示意图；
图5-10为本发明实施例一中不同阀口开度下的速度流线图；
图11为本发明实施例一的质量流量与阀口开度之间的关系曲线；
附图标记说明：1、阀体，2、阀芯，3、调节螺母，4、阀座，5、弹簧。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1-11所示，本发明提供一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法，包括以下步骤：
S1，对全锥型的气阀进行数学建模，并计算得到全锥型的气阀通流面积的计算公式(1)为：
Figure BDA0002078990620000041
其中，α为锥阀全锥角，ds为阀座底孔直径，x为阀芯位移；
S2，对锥台型气阀进行数学建模，并结合计算公式(1)，分别计算得到锥台型气阀的流通面积的理论的计算公式(2)和计算公式(3)；
S3，对锥台型气阀进行仿真模拟，并将结果与计算公式(2)、计算公式(3)分别进行对比，选择与仿真结果相同的公式作为该锥台型气阀的流通面积的计算公式。
在该种技术方案中，如果仿真结果与数学建模的结果不一致，说明仿真验证过程出现了错误，可以重新进行仿真验证过程。仿真验证的结果可以对理论进行验证，而且互相交叉验证。
在另一种技术方案中，根据公式(2)，锥台型气阀的流通面积的计算方法为：
当
Figure BDA0002078990620000051
Figure BDA0002078990620000052
当
Figure BDA0002078990620000053
Figure BDA0002078990620000054
其中，dlim为极限升程对应的锥台直径，ds为阀座底孔直径，α为锥阀全锥角，x为阀芯位移，xlim为阀芯极限升程，dr为阀芯锥台直径，
Figure BDA0002078990620000055
为横截面直径dr时阀芯位移，
Figure BDA0002078990620000056
为阀座通流面积对应的锥台型气阀阀芯位移。
在另一种技术方案中，根据公式(3)，锥台型气阀的流通面积的计算方法为：
当
Figure BDA0002078990620000057
Figure BDA0002078990620000058
当
Figure BDA0002078990620000059
Figure BDA0002078990620000061
其中，dlim为极限升程对应的锥台直径，ds为阀座底孔直径，α为锥阀全锥角，x为阀芯位移，xlim为阀芯极限升程，dr为阀芯锥台直径，
Figure BDA0002078990620000062
为横截面直径dr时阀芯位移，
Figure BDA0002078990620000063
为阀座通流面积对应的锥台型气阀阀芯位移。
在另一种技术方案中，采用SimericsMP或ansys软件对所述锥台型气阀进行计算机仿真模拟。
在另一种技术方案中，步骤S3所述的仿真结果包含速度云图、质量流量曲线。
实施例一：
实施例一具体的实施流程如图1所示。
1、几何结构
增压缸中气阀为单向锥阀，气阀的结构如图2所示。单向阀由阀体、阀芯、阀座，调节螺母和弹簧组成。当阀芯两侧的压差大于弹簧施加的预紧力时，阀芯向左运动，气阀打开，气体通过气阀内的流道进入增压缸中；当阀芯两侧的压差小于弹簧力时，气阀关闭。
2、通流面积数学建模根据测绘结构，该气阀主阀结构为锥台型，而不是完整的全锥阀。假定气阀关闭时，阀芯紧压在阀座上，二者为线密封。计阀芯位移为x，x≥0mm，当气阀关闭时x＝0mm。
2.1全锥型锥阀流通面积数学建模
传统全锥阀通流面积定义：以阀座通孔为基圆，以阀座的直角顶点A到阀芯锥部的垂线AB为母线的圆台侧面积作为全锥阀的流通面积。该流通面积有以下特点：
1、在阀芯运动过程中，以阀座为参照物，点B只沿母线AB方向运动；以阀芯为参照物，点B沿锥阀阀芯母线向顶点O运动；
2、全锥阀的最大流通面积不超过底座通孔直径所对应的面积。
如图3所示，设阀座通孔径为ds，锥阀锥角为α，则有ds＞0mm，α∈(0,π)。以初始密封时阀芯位移为0mm。
则母线|AB|长度l(x)满足，
Figure BDA0002078990620000071
通流面积所对应的圆台大径|AD|保持不变，满足
Figure BDA0002078990620000072
垂足B对应的圆锥横截面半径|BC|满足，
Figure BDA0002078990620000073
则ABCD所围成的圆台侧面积满足，
Figure BDA0002078990620000074
由全锥阀的几何结构结构分析可知，阀芯在运动过程中母线有一个最大值，即当垂足B落在锥阀顶点O时，母线长度达到最长。则
Figure BDA0002078990620000075
此时阀芯位移为
Figure BDA0002078990620000076
由方程(2.4)分析可知，S(x)在
Figure BDA0002078990620000077
是一个单调递增函数。且当
Figure BDA0002078990620000078
时，
Figure BDA0002078990620000079
此时，垂足B对应的横截面半径
Figure BDA00020789906200000710
另一方面，当阀芯位移满足
Figure BDA00020789906200000711
方程(2.4)才成立。而当
Figure BDA00020789906200000712
时，再重新定义S(x)。
阀座底孔对应的通流面积为，
Figure BDA0002078990620000081
因此α∈(0,π)，
Figure BDA0002078990620000082
因此，Smax(ds,α)＞Ss(x)。表明阀芯在运动过程中，有一个位移xlim，使得定义的通流面积等于阀座通孔所对应的通流面积。
另一方面，由锥阀结构可知，锥阀的通流面积S(x)≤Ss(x)。
综上所述，在阀芯运动过程中，在某一位移处，全锥锥阀的流通面积达到底座通孔对应的流通面积，即
Figure BDA0002078990620000083
而当行程进一步增加时，通流面积将保持不变，维持在Ss(x)。则有，
Figure BDA0002078990620000084
求得，
Figure BDA0002078990620000085
设此时的垂足点为Blim。垂足Blim对应的横截面半径
Figure BDA0002078990620000086
rlim(α,ds)在α∈(0,π)区间内为递增函数。因此，极限升程时垂足点Blim所对应的横截面半径有两个特征：
1、rlim随锥角α的增加而增加。即锥角越大，垂足B点越远离锥阀顶点O；
2、rlim随锥角ds的增加而增加。即当阀座底孔直径越大，垂足B点越远离锥阀顶点O。
综上所示，针对无倒角、线密封的全锥锥阀通流面积为：
Figure BDA0002078990620000091
其中，α表示锥阀全锥角，ds为阀座底孔直径。
2、2锥台型气阀流通面积数学建模
锥台型气阀结构如图4所示。B表示点A到锥台母线垂线的垂足。
图4(a)表示锥阀初始密封位置，图4(b)表示垂足B在母线上，图4(c)表示垂足B与锥台顶点C点重合，图4(d)表示垂足B落在母线延长线上。
设锥台直径为dr。由上述分析可知，极限升程
Figure BDA0002078990620000092
所对应的锥台半径为
Figure BDA0002078990620000093
直径为
Figure BDA0002078990620000094
由方程(2.3)可知，当垂足B所对应的横截面直径为dr,即
Figure BDA0002078990620000095
对应的阀芯位移满足，
Figure BDA0002078990620000096
因此，锥台型气阀的通流面积有以下特征：
1、当结构参数dr＜dlim，即
Figure BDA0002078990620000097
点C在Blim下方。表明阀芯在开启过程中，垂足B在达到C点之前，已经达到Blim点。通流面积已经达到最大，则满足方程(2.10)；
2、当结构参数dr≥dlim，即
Figure BDA0002078990620000098
点C在Blim上方。表明阀芯在开启过程中，
阀芯位移达到极限升程位移之前，垂足B已经在母线延长线上，即
Figure BDA0002078990620000099
表明阀芯在开启过程中，垂足B在达到C点时，还没有到到Blim点。通流面积还没有达到最大值，如图4(d)所示。
针对dr≥dlim，即
Figure BDA00020789906200000910
进行详细推导。
则当
Figure BDA0002078990620000101
通流面积可按方程(2.4)进行计算。
而当
Figure BDA0002078990620000102
时，流通面积有两种定义：
(1)定义一：母线|AC|所形成的锥台侧面，即阀座顶点A与锥台顶点C的连线为母线，如图4(d)所示；
(2)定义二：母线|CC′|所形成的锥台侧面，即锥台顶点C与过阀座顶点A与AB
平行线的距离，如图4(e)所示；
2.2.1按定义一数学建模
Figure BDA0002078990620000103
则
Figure BDA0002078990620000104
Figure BDA0002078990620000105
以|AC|为母线的锥台侧面积为，
Figure BDA0002078990620000106
分析方程(2.13)，可知，函数对称轴为
Figure BDA0002078990620000107
且在
Figure BDA0002078990620000108
时，ST(x)递增。当α∈(0,π)，
Figure BDA0002078990620000109
因此，当
Figure BDA0002078990620000111
ST(x)递增。而当
Figure BDA0002078990620000112
时，求得，
Figure BDA0002078990620000113
综上所述，针对定义一，当锥角、底座孔径已知条件下，锥台型气阀的通流面积满足，
当
Figure BDA0002078990620000114
Figure BDA0002078990620000115
当
Figure BDA0002078990620000116
Figure BDA0002078990620000117
2.2.2按定义二数学建模
母线|CC′|满足，
Figure BDA0002078990620000118
设C′所对应的直径为，
Figure BDA0002078990620000119
母线|CC′|对应的侧面积满足，
Figure BDA00020789906200001110
分析方程(2.18)可知，函数对称轴为
Figure BDA0002078990620000121
且在
Figure BDA0002078990620000122
时，ST(x)递增。当
Figure BDA0002078990620000123
时，求得
Figure BDA0002078990620000124
综上所述，针对定义二
当
Figure BDA0002078990620000125
通流面积满足方程(2.15)。
当
Figure BDA0002078990620000126
Figure BDA0002078990620000127
3、气阀通流面积CFD仿真分析
通过CFD方法，确定锥台型气阀的通流面积，并与上述理论计算进行对比分析，验证定义的准确性并修正理论模型。
为进一步分析不同开度条件下锥台型气阀的通流面积，以固定进出口压差0.1MPa为边界条件，仿真分析不同阀口开度条件下的内部流场特性，如图5-10所示，其中，图5中(a)Case 21，压差0.1MPa，开度1.7mm，图6中(b)Case 31，压差0.1MPa，开度2.656mm，图7中(c)Case 41，压差0.1MPa，开度4mm，图8中(d)Case 51，压差0.1MPa，开度5mm，图9中(e)Case61，压差0.1MPa，开度6mm，图10中(f)Case 91，压差0.1MPa，开度8mm。
由上图分析可知，当阀口开度小于4mm，如图5-7所示。阀口的通流面积与上述全锥型气阀的通流面积一致。而当阀口开度等于5mm时，与定义二基本一致。且当阀口开度大于6mm时，其通流面积基本不变。
图11为特定压差条件下，质量流量与阀口开度之间的关系曲线。从图11可以看出，质量流量随阀芯位移的增加而增大，而当阀芯位移大于7mm左右时，质量流量基本保持不变，这也间接表明当阀芯位移超过7mm时，通流面积基本保持不变。
综上所述，从速度云图、质量流量曲线两个方面验证了锥台型气阀流通面积模型的准确性，锥台型气阀的流通面积应采用定义二模型。
本实施例一的参数表如下：
Figure BDA0002078990620000131
Figure BDA0002078990620000141
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (5)

1.一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，对全锥型的气阀进行数学建模，并计算得到全锥型的气阀通流面积的计算公式(1)为：
Figure FDA0002078990610000011
其中，α为锥阀全锥角，ds为阀座底孔直径，x为阀芯位移；
S2，对锥台型气阀进行数学建模，并结合计算公式(1)，分别计算得到锥台型气阀流通面积的理论的计算公式(2)和计算公式(3)；
S3，对锥台型气阀进行仿真模拟，并将结果与计算公式(2)、计算公式(3)分别进行对比，选择与仿真结果相同的公式作为该锥台型气阀流通面积的计算公式。
2.如权利要求1所述的一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法，其特征在于，根据公式(2)，锥台型气阀的流通面积的计算方法为：
当
Figure FDA0002078990610000012
Figure FDA0002078990610000013
当
Figure FDA0002078990610000014
Figure FDA0002078990610000021
其中，dlim为极限升程对应的锥台直径，ds为阀座底孔直径，α为锥阀全锥角，x为阀芯位移，xlim为阀芯极限升程，dr为阀芯锥台直径，
Figure FDA0002078990610000022
为横截面直径dr时阀芯位移，
Figure FDA0002078990610000023
为阀座通流面积对应的锥台型气阀阀芯位移。
3.如权利要求1所述的一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法，其特征在于，根据公式(3)，锥台型气阀的流通面积的计算方法为：
当
Figure FDA0002078990610000024
Figure FDA0002078990610000025
当
Figure FDA0002078990610000026
Figure FDA0002078990610000027
其中，dlim为极限升程对应的锥台直径，ds为阀座底孔直径，α为锥阀全锥角，x为阀芯位移，xlim为阀芯极限升程，dr为阀芯锥台直径，
Figure FDA0002078990610000028
为横截面直径dr时阀芯位移，
Figure FDA0002078990610000029
为阀座通流面积对应的锥台型气阀阀芯位移。
4.如权利要求1所述的一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法，其特征在于，采用SimericsMP或ansys软件对所述锥台型气阀进行计算机仿真模拟。
5.如权利要求1所述的一种用于气阀流通面积计算的仿真验证方法，其特征在于，步骤S3所述的仿真结果包含速度云图、质量流量曲线。
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