1 前語(yǔ)
自力式視鏡是一種全自動(dòng)的流體溫度和流量控制設(shè)備。它的效果是當(dāng)兩種溫度不一樣的流體別離通入閥腔，通過(guò)視鏡內(nèi)件自動(dòng)調(diào)度兩者的流量，使出口溫度堅(jiān)持安穩(wěn)，而無(wú)需外加驅(qū)動(dòng)和控制設(shè)備。作為一種新式閥門(mén)，視鏡在中國(guó)的運(yùn)用日益廣泛，首要運(yùn)用于電站發(fā)電機(jī)組和離心緊縮機(jī)組等大型的高速回轉(zhuǎn)機(jī)組的軸承光滑冷卻系統(tǒng)以及其它對(duì)流體有溫度控制需要的系統(tǒng)中，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)略、功用牢靠和節(jié)能等利益。
用于自力式視鏡的感溫元件有不一樣的類(lèi)型，如形狀回想合金、雙金屬片等，但是當(dāng)時(shí)較多選用的是蠟質(zhì)感溫元件。迄今，國(guó)內(nèi)外對(duì)選用蠟質(zhì)感溫元件的自力式視鏡多從感溫包和機(jī)械結(jié)構(gòu)的角度進(jìn)行分析研討，而很少運(yùn)用數(shù)值仿照軟件對(duì)視鏡的流道溫度場(chǎng)分析。這篇文章運(yùn)用CFD軟件FLUENT對(duì)某類(lèi)型的視鏡進(jìn)行數(shù)值仿照，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，使其能夠非常好地發(fā)揚(yáng)恒溫控制的效果。
2 自力式視鏡的結(jié)構(gòu)及作業(yè)原理
某一類(lèi)型自力式視鏡的結(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構(gòu)成，其間銅沫首要起導(dǎo)熱效果，可使感溫包內(nèi)、外的熱量快速傳遞及均勻分布。驅(qū)動(dòng)力根據(jù)溫度增加時(shí)蠟熔化的體積脹大。感溫蠟的體積改動(dòng)被錐形橡膠鍵擴(kuò)展，并傳給閥桿，改動(dòng)調(diào)度筒的位移量，進(jìn)而改動(dòng)冷熱流體的流量，直抵抵達(dá)預(yù)定溫度。感溫蠟與橡膠鍵之間設(shè)有一層橡膠隔膜，起隔絕效果。
該自力式視鏡為三通閥，兩進(jìn)一出。熱流體首要進(jìn)入視鏡（此刻冷流體通道還處于關(guān)閉情況），通過(guò)調(diào)度筒內(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)作相變，體積脹大，通過(guò)推動(dòng)閥桿使調(diào)度筒發(fā)作位移，一同翻開(kāi)冷流體通道（熱流體通道變�。�，所以冷流體流入視鏡，并與熱流體進(jìn)行混合。冷、熱流體混合后，還要通過(guò)一小段空腔才抵達(dá)感溫包，通過(guò)熱交換溫度抵達(dá)一定值后，混合流體再通過(guò)感溫包與視鏡出口之間的空腔室，畢竟流出視鏡。反之，當(dāng)混合流體溫度跟著冷流體與熱流體的混合而下降時(shí)，感溫蠟體積縮短，在復(fù)位彈簧的效果下快速關(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)。溫度改動(dòng)使閥桿和調(diào)度筒不斷運(yùn)動(dòng)，調(diào)度冷熱流體的流量，完成對(duì)混合流體的溫度控制。
3 計(jì)算模型及網(wǎng)格區(qū)別
運(yùn)用SolidWorks三維實(shí)體建模軟件，對(duì)圖1所示的調(diào)度筒以上的閥腔流道建模。為仿照冷熱流體在閥腔內(nèi)混合后的溫度場(chǎng)情況，取某一時(shí)間冷熱流體比例為1：2的調(diào)度筒開(kāi)度進(jìn)行建模。在建模中省略彈簧和拉桿等閥內(nèi)零部件，以便簡(jiǎn)化計(jì)算。運(yùn)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)格區(qū)別，如圖2所示，全部流道共區(qū)別為39339個(gè)四面體網(wǎng)。
4 計(jì)算成果及分析
這篇文章所求解的底子方程是三維不可壓N-S方程，湍流模型選用規(guī)范k-E模型。離散方程的求解辦法選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上的SIMPLE算法，一階迎風(fēng)格式。速度壓力場(chǎng)選用隱式的全場(chǎng)迭代解法。視鏡內(nèi)的流質(zhì)為某商標(biāo)緊縮機(jī)光滑油，邊界條件為速度進(jìn)口和安閑流出口，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。
運(yùn)用FLUENT軟件對(duì)視鏡流道模型進(jìn)行數(shù)值仿照，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。從圖中能夠看出，閥門(mén)內(nèi)的流場(chǎng)參數(shù)底子呈軸對(duì)稱(chēng)分布，這是由于計(jì)算模型是軸對(duì)稱(chēng)的，但流體處于湍流情況，活動(dòng)非常復(fù)雜，因此不可能呈現(xiàn)完全軸對(duì)稱(chēng)，但總體上底子構(gòu)成軸對(duì)稱(chēng)分布。從圖中還能夠看出，進(jìn)口的冷熱流體通過(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)精確的混合流體溫度。但混合效果并不非常志向，溫度分層仍很明顯，從感溫包向外溫度逐漸下降。感溫包頂部流體混合劇烈，但溫度場(chǎng)也并未因此而極好地改進(jìn)。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，感溫包地點(diǎn)的溫度環(huán)境明顯高于混合平均溫度，感溫包周?chē)臏囟燃s為318K支配，這是由于感溫包處的流體混合還不可充分，因此感溫包周?chē)黧w溫度偏高，而壁面流體溫度偏低，這么就會(huì)致使感溫包對(duì)出口流體溫度控制發(fā)作過(guò)失。為了前進(jìn)視鏡控溫的精確性，有必要對(duì)流道進(jìn)行改進(jìn)，以便使感溫包周?chē)臏囟雀拷旌狭黧w的平均溫度。
5 流道優(yōu)化
由于自力式視鏡感溫包周?chē)鲌?chǎng)混合不可均勻，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)約擋板。為對(duì)比擋板方位對(duì)節(jié)約混合效果的影響，別離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)值仿照，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)約擋板后，感溫包地點(diǎn)的溫度環(huán)境明顯改進(jìn)，感溫包幾乎完全處于315K溫度的圍住當(dāng)中，這是流體均勻混合后的精確溫度。闡明加設(shè)擋板后，非常有利于感溫包對(duì)溫度的精確感知，并且，模型一的改進(jìn)效果要明顯好于模型二。
由于擋板的存在，大大加強(qiáng)了感溫包周?chē)黧w的劇烈混合，因此能使感溫包周?chē)臏囟葓?chǎng)變得均勻，使其能夠精確感知溫度進(jìn)而非常好地控制混合流體的溫度。
由于加設(shè)了節(jié)約擋板，閥內(nèi)流體阻力會(huì)有所增大。阻力丟掉能夠通過(guò)數(shù)值仿照計(jì)算得到的閥門(mén)進(jìn)出口壓力丟掉來(lái)衡量，如表1所示。從表中能夠看出，加設(shè)擋板后閥門(mén)進(jìn)出口壓力丟掉有一定增大，即閥門(mén)阻力增大，且模型一的壓力丟掉稍大于模型二。但是，因加設(shè)擋板而導(dǎo)致壓力丟掉的增幅并不大（由無(wú)擋板的1.0%增為模型一的1.8%），而對(duì)于自力式視鏡來(lái)說(shuō)，感溫控溫的精確程度是其首要功用方面，感溫包周?chē)鷾囟葓?chǎng)的均勻精確更為重要，加設(shè)擋板能使溫度場(chǎng)更加均勻，能夠非常好的增加感溫包的控溫精確度，因此加設(shè)擋板更有利于前進(jìn)視鏡的運(yùn)用功用，并且以感溫包中部加設(shè)擋板的流道模型功用優(yōu)。
6 定論
（1）通過(guò)對(duì)自力式視鏡流場(chǎng)的數(shù)值仿照，能夠詳細(xì)掌握閥內(nèi)溫度場(chǎng)分布情況，發(fā)現(xiàn)流場(chǎng)缺陷，這有助于視鏡的優(yōu)化計(jì)劃，具有非常重要的實(shí)際意義；
（2）在感溫包中部加設(shè)節(jié)約擋板，雖然小幅度增加了一些阻力丟掉，但能夠使感溫包周?chē)黧w充分混合，使其周?chē)鷾囟葓?chǎng)明顯均勻精確，更有利于視鏡對(duì)流體溫度的精確控制。