以自力式溫控閥為研究對(duì)象，應(yīng)用CFD軟件對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，找出溫度場(chǎng)分布的不足之處并加以?xún)?yōu)化，結(jié)果表明在感溫包中部加設(shè)節(jié)流擋板能夠使其周?chē)鷾囟葓?chǎng)均勻準(zhǔn)確，更有利于溫控閥對(duì)流體溫度的精確控制。

1、前言

　　自力式溫控閥是一種全自動(dòng)的流體溫度和流量控制裝置。它的作用是當(dāng)兩種溫度不同的流體分別通入閥腔，通過(guò)溫控閥內(nèi)件自動(dòng)調(diào)節(jié)兩者的流量，使出口溫度保持恒定，而無(wú)需外加驅(qū)動(dòng)和控制裝置。作為一種新型閥門(mén)，溫控閥在我國(guó)的應(yīng)用日益廣泛，主要應(yīng)用于電站發(fā)電機(jī)組和離心壓縮機(jī)組等大型的高速回轉(zhuǎn)機(jī)組的軸承潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)以及其它對(duì)流體有溫度控制要求的系統(tǒng)中，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

　　用于自力式溫控閥的感溫元件有不同的類(lèi)型，如形狀記憶合金、雙金屬片等，但是目前較多采用的是蠟質(zhì)感溫元件。迄今，國(guó)內(nèi)外對(duì)采用蠟質(zhì)感溫元件的自力式溫控閥多從感溫包和機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分析研究，而很少應(yīng)用數(shù)值模擬軟件對(duì)溫控閥的流道溫度場(chǎng)分析。本文應(yīng)用CFD軟件FLUENT對(duì)某型號(hào)的溫控閥進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)其溫度場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)的分析，以及對(duì)流道進(jìn)行優(yōu)化，使其能夠更好地發(fā)揮恒溫控制的作用。

2、自力式溫控閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　某一型號(hào)自力式溫控閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示。感溫包是核心部件，它既是流體的感溫元件，又是閥門(mén)的驅(qū)動(dòng)元件，由感溫蠟與銅沫混合物組成，其中銅沫主要起導(dǎo)熱作用，可使感溫包內(nèi)、外的熱量快速傳遞及均勻分布。驅(qū)動(dòng)力基于溫度升高時(shí)蠟熔化的體積膨脹。感溫蠟的體積變化被錐形橡膠鍵放大，并傳給閥桿，改變調(diào)節(jié)筒的位移量，進(jìn)而改變冷熱流體的流量，直到達(dá)到預(yù)定溫度。感溫蠟與橡膠鍵之間設(shè)有一層橡膠隔膜，起隔離作用。

圖1 自力式溫控閥結(jié)構(gòu)示意

　　該自力式溫控閥為三通閥，兩進(jìn)一出。熱流體首先進(jìn)入溫控閥(此時(shí)冷流體通道還處于關(guān)閉狀態(tài))，通過(guò)調(diào)節(jié)筒內(nèi)腔流經(jīng)感溫包。當(dāng)感溫包感知熱流體的溫度高于設(shè)定溫度值時(shí)，其內(nèi)填的感溫蠟發(fā)生相變，體積膨脹，通過(guò)推動(dòng)閥桿使調(diào)節(jié)筒產(chǎn)生位移，同時(shí)打開(kāi)冷流體通道(熱流體通道變小)，于是冷流體流入溫控閥，并與熱流體進(jìn)行混合。冷、熱流體混合后，還要經(jīng)過(guò)一小段空腔才到達(dá)感溫包，通過(guò)熱交換溫度達(dá)到一定值后，混合流體再經(jīng)過(guò)感溫包與溫控閥出口之間的空腔室，最終流出溫控閥。反之，當(dāng)混合流體溫度隨著冷流體與熱流體的混合而下降時(shí)，感溫蠟體積收縮，在復(fù)位彈簧的作用下快速關(guān)小冷流體進(jìn)口通道，開(kāi)大熱流體進(jìn)口通道，保證混合后的流體溫度始格單元。

　　終維持在給定的溫度值。由此可見(jiàn)，閥桿的位移是蠟質(zhì)感溫驅(qū)動(dòng)元件溫度的函數(shù)。溫度變化使閥桿和調(diào)節(jié)筒不斷運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)冷熱流體的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合流體的溫度控制。

3、計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

　　利用SolidWorks三維實(shí)體建模軟件，對(duì)圖1所示的調(diào)節(jié)筒以上的閥腔流道建模。為模擬冷熱流體在閥腔內(nèi)混合后的溫度場(chǎng)狀態(tài)，取某一時(shí)刻冷熱流體比例為1：2的調(diào)節(jié)筒開(kāi)度進(jìn)行建模。在建模中略去彈簧和拉桿等閥內(nèi)零部件，以便簡(jiǎn)化計(jì)算。應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT的前處理器GAMBIT軟件對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2所示，整個(gè)流道共劃分為39339個(gè)四面體網(wǎng)。

圖2 模型的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)剖視圖

4、計(jì)算結(jié)果及分析

　　本文所求解的基本方程是三維不可壓N-S方程，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-E模型。離散方程的求解方法采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的SIMPLE算法，一階迎風(fēng)格式。速度壓力場(chǎng)采用隱式的全場(chǎng)迭代解法。溫控閥內(nèi)的流質(zhì)為某牌號(hào)壓縮機(jī)潤(rùn)滑油，邊界條件為速度進(jìn)口和自由流出口，設(shè)定冷熱流體的進(jìn)口流速均為0.5m/s。冷流體溫度為295K，熱流體溫度為325K。

　　應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)溫控閥流道模型進(jìn)行數(shù)值模擬，得到對(duì)稱(chēng)面上的速度矢量圖和溫度分布云圖，如圖3、4所示。從圖中可以看出，閥門(mén)內(nèi)的流場(chǎng)參數(shù)基本呈軸對(duì)稱(chēng)分布，這是由于計(jì)算模型是軸對(duì)稱(chēng)的，但流體處于湍流狀態(tài)，流動(dòng)非常復(fù)雜，因此不可能呈現(xiàn)完全軸對(duì)稱(chēng)，但總體上基本形成軸對(duì)稱(chēng)分布。從圖中還可以看出，進(jìn)口的冷熱流體經(jīng)過(guò)閥內(nèi)一段空腔的混合后，溫度逐漸均勻，有利于感溫包感知真實(shí)準(zhǔn)確的混合流體溫度。但混合效果并不十分理想，溫度分層仍很明顯，從感溫包向外溫度逐漸降低。感溫包頂部流體混合劇烈，但溫度場(chǎng)也并未因此而很好地改善。根據(jù)理論計(jì)算，本例中混合后的平均溫度是315K，但是，從溫度分布云圖可知，感溫包所處的溫度環(huán)境明顯高于混合平均溫度，感溫包周?chē)�的溫度約為318K左右，這是由于感溫包處的流體混合還不夠充分，因而感溫包周?chē)�流體溫度偏高，而壁面流體溫度偏低，這樣就會(huì)導(dǎo)致感溫包對(duì)出口流體溫度控制產(chǎn)生誤差。為了提高溫控閥控溫的準(zhǔn)確性，有必要對(duì)流道進(jìn)行改進(jìn)，以便使感溫包周?chē)�的溫度更接近混合流體的平均溫度。

圖3 速度矢量圖

圖4 溫度分布云圖

5、流道優(yōu)化

　　由于自力式溫控閥感溫包周?chē)�流�?chǎng)混合不夠均勻，需要加強(qiáng)閥腔內(nèi)冷熱流體混合的力度，因此考慮在閥腔流道內(nèi)加設(shè)節(jié)流擋板。為對(duì)比擋板位置對(duì)節(jié)流混合效果的影響，分別在感溫包中部和下部加設(shè)擋板，建立了模型一和模型二。

　　對(duì)改進(jìn)流道進(jìn)行數(shù)值模擬，得到改進(jìn)后流場(chǎng)的溫度分布，如圖5、6所示。加設(shè)節(jié)流擋板后，感溫包所處的溫度環(huán)境明顯改善，感溫包幾乎完全處于315K溫度的包圍之中，這是流體均勻混合后的準(zhǔn)確溫度。說(shuō)明加設(shè)擋板后，非常有利于感溫包對(duì)溫度的準(zhǔn)確感知，并且，模型一的改進(jìn)效果要明顯好于模型二。

圖5 模型一的溫度分布云圖

圖6 模型二的溫度分布云圖

　　圖7為模型一的速度矢量圖，從圖中可以看出，由于擋板的存在，大大加強(qiáng)了感溫包周?chē)�流體的劇烈混合，因而能使感溫包周?chē)�的溫度�?chǎng)變得均勻，使其能夠準(zhǔn)確感知溫度進(jìn)而更好地控制混合流體的溫度。

圖7 模型一的速度矢量圖

　　由于加設(shè)了節(jié)流擋板，閥內(nèi)流體阻力會(huì)有所增大。阻力損失可以通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算得到的閥門(mén)進(jìn)出口壓力損失來(lái)衡量，如表1所示。從表中可以看出，加設(shè)擋板后閥門(mén)進(jìn)出口壓力損失有一定增大，即閥門(mén)阻力增大，且模型一的壓力損失稍大于模型二。但是，因加設(shè)擋板而引起壓力損失的增幅并不大(由無(wú)擋板的1.0%增為模型一的1.8%)，而對(duì)于自力式溫控閥來(lái)說(shuō)，感溫控溫的準(zhǔn)確程度是其主要性能方面，感溫包周?chē)鷾囟葓?chǎng)的均勻準(zhǔn)確更為重要，加設(shè)擋板能使溫度場(chǎng)更加均勻，能夠更好的增加感溫包的控溫準(zhǔn)確度，因此加設(shè)擋板更有利于提高溫控閥的使用性能，并且以感溫包中部加設(shè)擋板的流道模型性能最優(yōu)。

表1進(jìn)出口壓力損失對(duì)比

6、結(jié)論

　　(1)通過(guò)對(duì)自力式溫控閥流場(chǎng)的數(shù)值模擬，能夠詳細(xì)掌握閥內(nèi)溫度場(chǎng)分布狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)缺陷，這有助于溫控閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有非常重要的實(shí)際意義;

　　(2)在感溫包中部加設(shè)節(jié)流擋板，雖然小幅度增加了一些阻力損失，但能夠使感溫包周?chē)�流體充分混合，使其周?chē)鷾囟葓?chǎng)明顯均勻準(zhǔn)確，更有利于溫控閥對(duì)流體溫度的精確控制。