调节阀动态特性的数值模拟

hi +1 ,0 = hi +1 ,1 - Cw qi +1 ,1 + ( Cw + f | qi +1 ,1 | 1 - m aΔt ) qi +1 ,0
(9)
hi , N - hi +1 ,0 = Kqi +1 ,02
qi , N = qi +1 ,0
式中 hi , j ———第 i 段管子第 j 个节点处的压头 , Pa Cw = a/ gA , a ———扰动在管道液体中的传播速度 , m/ s f ———列宾宗摩阻系数 , (s/ m3) 11875
(主要是阀瓣形状) 、口径和开度等有
关 , 但与压力无关)
g ———重力加速度 , m/ s2
A ———阀门通道的截面积 , m2
q ———通过阀门的流量 , m3/ s
工程上通常用一个集合系数 K 来衡量阀门的
阻力特性 , 称为阀门的阻力系数 , 即
ζ
K = 2 gA 2
(2)
212 流量特性
称可调节流量比
R = 1/ qmin 如图 1 所示 , 曲线 1 、2 、4 分别是理想的快开 特性 、直线特性和对数特性阀门的特性曲线 , 曲线 3 是某种平板闸阀的特性曲线 , 该型闸阀近似具有
11 快开特性 21 直线特性 31 某种闸阀实际测量特性 41 对数特性
图 1 阀门的流量特性
阀门的流量特性通常以相对流量 (某一开度时
的流量与全开时流量之比) 与相对开度 (某一开度
作者简介 : 刘 刚 (1970 - ) , 男 , 河南罗山县人 , 工程师 , 主要从事舰船油料补给和军用输油管线技术研究 。
2004 年第 4 期 阀 门 — 9 —
440
330
230
120
55
0
( m3/ h)
表 2 某种等百分比特性缩径球阀
相对开度 1100
0190
0180
0170
0160
0150
0140
0130
0120
0110
010
相对流量 110
0176
015
0135
0122
0115
0111
0108
01045
0102
0
流量系数
1 000
760
500
350
010417m3/ s , 管 道 列 宾 宗 摩 阻 系 数 为 217 ( s/ m3) 11875 , 流态指数为 01125 , 水击波速为 1 085m/ s。两种特性 (直线特性和对数特性) 的阀门安装 在距起点 6 000m 处的流量特性分别如表 1 和表 2 所示 。设阀门在 20 s 内均匀关闭 , 阀门在水力瞬 变过程中的流量特性和阀前的水击压力计算结果如
ΔA x / Δt = - a
C-
(8)
hi , j +1 - hi , j + Cw ( qi , j - qi , j +1) + f | qi , j +1 | 1 - m qi , j aΔt = 0
由图 2 ,可以写出水力瞬变过程中差分形式的 阀动作边界条件方程组为 hi , N = hi , N - 1 + Cw qi , N - 1 - ( Cw + f | qi , N - 1 | 1 - m aΔt ) qi , N
管道起点具有 114MPa 的稳定压力 , 稳态流量为
按照 阀 门 流 量 系 数 的 定 义 , Δh 为 011 M Pa
(约合 10 m 水 柱) 时 , 阀 门 可 以 通 过 的 流 量 为
KV , 于是可以列出
10m =
{ K} s2/ m5
{ KV } m3/ h 3 600
2
由此可得阀门的阻力系数 K 与阀门的流量系
数 KV 的关系
图 4～图 6 所示 。
表 1 某种直线特性平板闸阀
相对开度 1100
0190
0180
0170
0160
0150
0140
0130
0120
0110
010
相对流量 110
01875
0177
0165
0154
0144
0133
0123
0112
01055
0
流量系数
1 000
875
770
650
540
— 1 4 — 阀 门 2004 年第 4 期
S
=
FW 1 - FW 2
ΔP
(5)
P=
PX +
ΔP ·FW1
FW 2 - FW 1
(6)
采用此方法时 , 必须保持系统介质压力的稳
定 。它避免了大量的实际测量和计算工作 , 实现了
当调节阀安装在某一管路系统中时 , 其工作流 量特性会偏离固有流量特性 , 此时的特性称为其静 态流量特性或安装特性 , 该特性服从于系统的稳态 压头平衡方程 , 文献 〔3〕和 〔4〕对调节阀的这种 流量特性变形进行了研究 。调节阀在动作 (开启或 关闭) 时会产生水力扰动 , 并对水击有一定的反射 作用 , 这称为阀门的动态特性 , 它与管路系统和关 阀规律都有关系 , 需要结合系统的水力瞬变过程进 行动态分析 。 3 动态特性数值模拟的基本方法 311 管流差分方程和阀动作边界条件
m ———流态指数 Δx ———差分计算的管道轴向距离步长 , m Δt ———计算时间步长 , s 根据阀门的关闭或开启规律 (阀开度与时间 t
— 1 0 — 阀 门 2004 年第 4 期
{ K} s2/ m5 = 1130 ×108 { KV } m3/ h - 2
采用特征线差分解法 , 分别对具有典型的直线 和对数特性的调节阀的动态特性进行数值模拟 。按 经典水击分析理论〔1 ,2〕, 管道内液流的流动特性可 用差分形式的瞬变方程组来描述 , 即
Δx / Δt = + a
C +
(7)
hi , j - hi , j - 1 + Cw ( qi , j - qi , j - 1) + f | qi , j - 1 | 1 - m qi , j aΔt = 0
wk.baidu.com
220
150
110
80
45
20
0
( m3/ h)
图 3 KV2t 的关系
从计算结果可以看出 , 即便是安装在短距离管 线上 ,直线特性和对数特性的调节阀门都具有快开
11 动态特性 21 固有特性 图 4 直线特性阀的固有特性与动态特性
特性 , 即阀在其开启的初始行程和关闭的末段行程 (下转第 14 页)
31Logistical Engineering College , Chongqing 400016 , China)
Abstract : The numerical equation about regulating valve’s resistance and discharge characteristics is established according to t heir relation. Based on t he t heories of t ransient flow in pipe , t he numerical simulating met hods of t he regulate valve’s dynamic characteristics in long pipeline are developed , and t he computation examples and t heir result s are supplied. Key words : regulating valve ; discharge characteristics ; numerical simulation
(10)
式中大括号外的下标表示 K 和 KV 的量纲 。
按图 3 所示的方法 , 可以建立 KV 与阀动作时
间 t 的关系 , 这种方法对任何特性的阀门和任何关
闭规律 (如分段关阀) 都有效 。
图 2 阀的边界条件
管输工程中使用的调节阀一般只具有近似的等
的关系) 和阀门的阻力特性可以得出阻力系数 K 与 阀动作时间 t 的关系 ,但是 ,阀门关闭时ζ值为无穷 大 ,因而在阀门接近关闭时必须另作处理 ,采用阀门
在流体机械中 , 阀门的特性包括阻力特性和流量 特性 。阻力特性是指阀门的阻力系数与阀门开度的关 系 , 流量特性是指通过阀门的流量与其开度的关系。 211 阻力特性
根据流体力学 , 阀门的阻力特性定义为
Δh
=
2
ζ
gA
2
q2
(1)
式中 Δh ———阀门前后的压差 , Pa
ζ———阀门的阻力因数 (与阀门的结构类型
— 8 — 阀 门 2004 年第 4 期
文章编号 : 100225855 (2004) 0420008203
调节阀动态特性的数值模拟
刘 刚1 , 方金春2 , 雍歧卫3 (11 海军后勤技术装备研究所 , 北京 100072 ; 21 九江石油化工总厂军代室 , 江西 九江 332004 ;
性称为阀门的固有流量特性 。
常见的调节阀的固有流量特性有快开 、直线 、
抛物线和对数 (又称等百分比特性) 等 4 种 。引入
相对开度 l 和相对流量 q 两个无量纲量 , 在边界 处 , 对于快开 、直线 、抛物线特性的阀门 , 采用理 想边界条件 , 即
当 l = 0 时 , q = 0;当 l = 1 时 , q = 1 对于对数特性 ,采用半理想边界条件 ,即
当 l = 0 时 , q = qmin ;当 l = 1 时 , q = 1 。 于是可得以无量纲量 l 和 q 表示的快开 、直线 、 抛物线和对数等 4 种流量特性关系式分别为
q= l
(3)
q=l
(4)
q = l2
(5)
q = R1- l
(6)
式中 R ———阀门最大开度和最小开度下流量比 ,
时阀杆行程或转角与全开时阀杆行程或转角之比) 直线特性 。
的关系来表示 , 并以流量系数 KV (相对流量与阀 门的最大通过能力的乘积) 来衡量 。阀门样本和说
明书上提供的流量系数是以清水为介质 , 阀门前后
的压差为 011M Pa , 流体的密度为 1 000kg/ m3 , 流
量以 m3/ h 计量测得的 。这种规定条件下的流量特
百分比特性或直线特性 , 在数值计算中 , 由于无法 准确写出其流量特性的数学表达式 , 解决办法是采 用一个二维数组来逼近阀门的流量特性曲线 。
的流量特性来计算阻力系数可以避免出现这种情 4 计算实例
况。
水平输水管道 , 口径为 200mm , 长 18 000m ,
312 阀的阻力特性与流量特性的关系
31 解放军后勤工程学院 , 重庆 400016)
摘要 根据调节阀阻力特性和流量特性的定义 , 建立了二者之间的数值关系方程 。基于管道 瞬变流理论提出了调节阀动态特性的数值分析方法 , 并分别对固有流量特性近似为直线和等百分 比特性的平板闸阀和球阀在管路系统中的动态特性进行了数值模拟 。 关键词 调节阀 ; 流量特性 ; 数值模拟 中图分类号 : TH134 文献标识码 : A
在安全阀的密封面积未知的情况下 , 即可对其起跳
1 概述 调节阀是管道系统中一种阻力可变的节流元
件 。通过改变阀门的开度 , 可以改变管道系统的工 作特性 , 从而实现调节流量和改变压力的目的 。它 既是一种调节元件 , 同时也是一种控制元件 , 是实 现管道系统安全经济输送的重要设备 。使用调节阀 调节流量和控制瞬变压力的关键因素是阀门的工作 特性 , 由于阀门的工作特性受管道系统和工作状态 的影响很大 , 因而必须针对具体系统对调节阀的特 性进行具体分析 。 2 调节阀的特性
The numerical simulation of the regulate valve’s dynamic characteristics in long pipel ine
L IU Gang , FAN G Jin2chun , YON G Qi2wei
(11Navy Logistical technology furnishment Institute , Beijing 100072 , China ; 21Military Representative office of Jiujiang Petrochemical Gereral plant , Jiujiang 332004 , China ;