閔 為， 米智強(qiáng)， 李 成， 王卓鋒， 胥 敏

(蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730050)

引言

隔膜閥不僅結(jié)構(gòu)簡單、密封性好、壓力損失小，而且還具有傳統(tǒng)液壓閥所不具備的耐腐蝕、耐沖擊和耐磨損等特點(diǎn)，因此在超純介質(zhì)流體控制系統(tǒng)中(如信息技術(shù)、生物醫(yī)療和新能源技術(shù)等)廣泛使用。超純水隔膜閥不僅可實(shí)現(xiàn)簡單的啟閉功能， 還可以比例閥的形式實(shí)現(xiàn)流量的精確控制，其可靠性、壽命與流量控制穩(wěn)定性對整個(gè)超純水流體控制系統(tǒng)的性能具有重要影響[1-2]。因此，研究隔膜閥隔膜提升高度與流量、壓力之間的關(guān)系具有重要意義。

20世紀(jì)80年代起，如何使用隔膜閥實(shí)現(xiàn)超純水的流量穩(wěn)定控制作為一個(gè)新課題出現(xiàn)在國際視野中，學(xué)者們對提高隔膜閥使用壽命、改善閥口流量控制精度和研究不同驅(qū)動方式等方面進(jìn)行了研究。

為降低隔膜應(yīng)力、延長隔膜閥的使用壽命，IRAJ Gashgaee等[3]通過在活塞和隔膜連接端開孔，采用氣壓的方式壓緊隔膜，可使隔膜閉合緊密，減少氣泡產(chǎn)生，降低隔膜所受應(yīng)力，相比于改進(jìn)前的閥桿壓緊隔膜使隔膜受集中力，改進(jìn)之后隔膜壽命明顯提高。MüLLER, FRITZ[4]在隔膜閥啟閉過程中，設(shè)計(jì)了一種由PFA(可溶性聚四氟乙烯)制作而成的輔助壓片，并在壓片與隔膜直接接觸區(qū)域涂覆摩擦系數(shù)非常低的材料涂層，減少隔膜與壓片在隔膜閥啟閉過程中相對運(yùn)動時(shí)的摩擦力，從而防止隔膜的彈性體材料局部過度拉伸，減少由摩擦帶來的顆粒物脫落，使用壽命得以延長。

為了提高閥口流量的精確控制、減少內(nèi)泄漏，WESTFORD等[5]在隔膜與閥蓋之間添加柔性背襯構(gòu)件，控制隔膜在閥室中的運(yùn)動自由度，從而精確控制閥口流量。KAZUO Satoh等[6]在閥座上設(shè)置了密封凸緣，防止長久使用或者在極端工況下熱脹冷縮而導(dǎo)致的變形，改善了內(nèi)泄漏的問題，也提高了批量加工隔膜的良品率。MULLER, FRITZ (INGELFINGEN, DE)等[7]添加了一種特定制動器，使隔膜閥關(guān)閉時(shí)，制動器能在整個(gè)圓周上均勻地施加壓力，流體密封性得到顯著改善，并通過設(shè)置專用的傳感器螺紋孔，對隔膜閥進(jìn)行監(jiān)控與檢測。

在隔膜閥的驅(qū)動方式改進(jìn)方面，LEYS John等[8]設(shè)計(jì)了一種蠕變補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，采用蠕變補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，只需要保持下基部和上蓋部保持長滑桿接合，可使軸向長度收縮至較小的軸向長度，不僅減緩蠕變，還可補(bǔ)償已發(fā)生的蠕變,同時(shí)采用限位凸輪，限制旋轉(zhuǎn)時(shí)閥桿的最大位移。PRATT Wayne L.等[9]采用雙隔膜控制啟閉，專門在隔膜外圍的軸肩上設(shè)計(jì)了一個(gè)小凸臺，該設(shè)計(jì)不僅有利于密封，而且無需額外使用密封圈來密封，小推力軸承和彈簧的組合使用來控制隔膜的變形與復(fù)位。

綜上所述，研究者們在改善隔膜的應(yīng)力狀態(tài)、密封性，提升隔膜的壽命和可靠性方面進(jìn)行了大量研究，但在驅(qū)動方式對隔膜閥閥口流動特性方面的研究較少。因此，本研究采用流固耦合的方法研究了不同驅(qū)動方式下的隔膜閥閥口流動特性，研究結(jié)果對比例隔膜閥的流量精確控制具有指導(dǎo)意義。

1 超純水隔膜閥結(jié)構(gòu)及工作原理

比例超純水隔膜閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由隔膜(閥芯)、閥座和驅(qū)動機(jī)構(gòu)組成，隔膜閥上有進(jìn)、出兩個(gè)油口。作為啟閉件的隔膜用軟質(zhì)材料制成，在超純水流體控制系統(tǒng)中一般采用PTFE或PFA?？蓜痈裟づc固定閥座形成閥口，隔膜通過上下運(yùn)動實(shí)現(xiàn)閥口開度的連續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)從入口到出口的流量精確控制[10]。隔膜的運(yùn)動驅(qū)動方式有手動驅(qū)動和電磁驅(qū)動等，其中手動驅(qū)動隔膜閥是將隔膜與其上端的閥桿螺栓連接，通過控制閥桿的運(yùn)動從而帶動隔膜運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)閥口開度的連續(xù)變化；電磁驅(qū)動隔膜閥的閥口啟閉，是在兩個(gè)隔膜片螺紋連接之間嵌入網(wǎng)狀金屬絲，通過電磁鐵對金屬絲的吸合力使隔膜比例可控的向上提升。由于手動驅(qū)動是閥桿以集中力的形式作用在軟質(zhì)材料的隔膜上，電磁驅(qū)動是電磁力均勻的作用在隔膜上，兩種驅(qū)動方式使隔膜運(yùn)動時(shí)產(chǎn)生的形變(用ε表示)有所不同，閥口流動特性也呈明顯差異。因此，本研究將對同一種隔膜閥在手動和電磁兩種不同驅(qū)動方式下，隔膜閥內(nèi)部超純水的流動狀態(tài)進(jìn)行研究分析。

圖1 比例隔膜閥結(jié)構(gòu)圖

2 隔膜閥流-固耦合分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

如圖2、圖3和表1所示為比例隔膜閥流固耦合仿真模型及結(jié)構(gòu)參數(shù)，為確保計(jì)算初始時(shí)刻流體域的連續(xù)性，將隔膜閥的隔膜預(yù)提升高度設(shè)置一定的預(yù)開口量(0.1～0.2 mm)。

表1 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 手動比例隔膜閥流固耦合計(jì)算模型

圖3 電磁比例隔膜閥流固耦合計(jì)算模型

將計(jì)算模型導(dǎo)入COMSOL中進(jìn)行的網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖4所示。由于隔膜與閥座之間并不是平滑的線密封，因此采用四面體網(wǎng)格劃分方法，且對閥口處網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，并通過合適設(shè)置狹窄區(qū)間解析度、最大單元生長率等重要參數(shù)設(shè)置的方法確保網(wǎng)格平滑過渡；為了充分考慮流道內(nèi)的粘性底層流動特性，對流體區(qū)域劃分邊界層網(wǎng)格；為了在保證計(jì)算精度的前提下減少計(jì)算量，在計(jì)算之前通過監(jiān)測如圖4所示三個(gè)點(diǎn)的應(yīng)力σ受網(wǎng)格數(shù)量的影響，排除網(wǎng)格對計(jì)算結(jié)果的影響，如圖5所示最終確定網(wǎng)格數(shù)量n為300萬左右的計(jì)算模型[11～12]。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證檢測點(diǎn)

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2.2 邊界條件設(shè)置

(1)

式中，ρ—— 流體的密度

v—— 流體的速度

d—— 特征長度

μ—— 動力黏度

流經(jīng)該隔膜閥的最大流速為0～11 m/s，帶入式(1)中計(jì)算雷諾數(shù)為層流范圍，故流體域采用層流模型進(jìn)行計(jì)算[13]。

計(jì)算模型的參數(shù)設(shè)置為：超純水密度1000 kg/m3，超純水黏度0.001 Pa·s，壓力入口值分別為69, 79, 89, 99, 109, 119, 129 kPa，壓力出口值0 Pa。為了保證計(jì)算準(zhǔn)確性和收斂性，采用全耦合(Interaction)方法對離散方程求解。

2.3 數(shù)值計(jì)算

在隔膜閥開啟過程中，由于隔膜會產(chǎn)生不同程度的變形，而該形變量導(dǎo)致閥口開度與隔膜提升高度并不一致，且現(xiàn)實(shí)中真正的閥口開度難以測量。因此，本研究中將變形量最小且最易測量的監(jiān)測點(diǎn)3的位移作為隔膜提升高度x，并用隔膜提升高度衡量隔膜閥的開啟程度，而閥口開度則從流固耦合計(jì)算結(jié)果中得出。

手動超純水隔膜閥，在隔膜的軸線上施加拉伸位移，給定隔膜位移1.3 mm；對于電磁超純水隔膜閥，在隔膜的上表面施加均勻應(yīng)力，保證電磁驅(qū)動和手動驅(qū)動的隔膜位移保持一致。監(jiān)測結(jié)果顯示，在69 kPa的閥口壓差下，閥口最大流速為10.4 m/s(如圖6所示)，符合產(chǎn)品樣本中隔膜閥的流速范圍，因此認(rèn)為計(jì)算模型及方法正確。手動和電磁兩種驅(qū)動方式都采用上述邊界條件，并監(jiān)測隔膜提升高度和通過閥口的流量。

圖6 電磁驅(qū)動超純水隔膜閥閥內(nèi)速度云圖(Δp=99 kPa)

3 結(jié)果分析

3.1 最大提升高度時(shí)的流量壓力關(guān)系

(2)

式中,Kc—— 流量-壓力系數(shù)

qL—— 通過閥口的流量

pL—— 閥口壓差

如圖7所示為最大閥口開度時(shí)，隔膜閥入口壓力69～129 kPa每隔10 kPa計(jì)算條件下，手動和電磁兩種不同驅(qū)動方式隔膜閥的流量-壓力特性曲線，其斜率即為流量壓力系數(shù)Kc。由圖可知電磁驅(qū)動方式超純水隔膜閥流量-壓力系數(shù)Kc為一恒定值， 而手動驅(qū)動方式隔膜閥的流量-壓力系數(shù)Kc值在99 kPa時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，且閥口壓差大于99 kPa時(shí)的流量-壓力系數(shù)Kc值相比于69～99 kPa有所降低，但拐點(diǎn)前后依然為定值，且手動驅(qū)動兩個(gè)階段的流量-壓力系數(shù)Kc均小于電磁驅(qū)動。

圖7 手動和電磁驅(qū)動隔膜閥流量-壓力特性曲線

對比手動驅(qū)動與電磁驅(qū)動隔膜閥的Kc值可知：電磁驅(qū)動方式Kc為一定值，即電磁驅(qū)動方式隔膜閥閥口通流更加穩(wěn)定；另外，手動驅(qū)動隔膜閥在99 kPa附近出現(xiàn)拐點(diǎn)，且拐點(diǎn)前后的Kc都小于電磁驅(qū)動的Kc，由此可知手動驅(qū)動隔膜閥抵抗負(fù)載變化的能力更強(qiáng)，即手動驅(qū)動隔膜閥的剛度更大。從動態(tài)的角度看，Kc是系統(tǒng)的一種阻尼，當(dāng)系統(tǒng)振動加劇時(shí)，負(fù)載壓力的增大使隔膜閥輸給系統(tǒng)的流量較小，這有助于系統(tǒng)振動的衰減[14]。

3.2 隔膜提升高度-流量特性曲線

如圖8所示為手動和電磁兩種驅(qū)動方式隔膜閥的流量特性曲線，用隔膜提升高度代替閥口開度以衡量隔膜閥隔膜開啟程度。在隔膜閥的常用工作壓力范圍內(nèi)(69～129 kPa)，兩種驅(qū)動方式的流量特性曲線均相交于隔膜提升高度為0.55 mm附近。由圖可知，電磁驅(qū)動的流量特性曲線為近似線性，手動驅(qū)動的為非線性。其中，手動驅(qū)動的閥口流量在隔膜提升高度為0.1～0.33 mm時(shí)開始緩慢增加；在0.33～0.55 mm時(shí)閥口流量增加的速度逐漸增大；在0.55～0.85 mm時(shí)，閥口流量隨隔膜提升高度呈線性增加；在0.85 mm之后逐漸達(dá)到流量飽和狀態(tài)[15-17]。

流量增益：

(3)

式中,Kq—— 流量增益

前期面積估測中，出現(xiàn)估測數(shù)據(jù)差異甚大的現(xiàn)象。這主要是因?yàn)閷W(xué)生對面積單位表象的建立記憶不深刻，缺乏估測策略。后期面積教學(xué)中，教師繼續(xù)建構(gòu)常見面積單位的表象，發(fā)展學(xué)生的度量意識。

qL—— 閥口的流量

xv—— 隔膜提升高度

提取圖8中99 kPa時(shí)流量特性曲線斜率繪制如圖9所示手動和電磁驅(qū)動隔膜閥流量增益值Kq與隔膜提升高度的關(guān)系曲線[18-19]。

圖8 手動和電磁驅(qū)動隔膜閥流量特性曲線

由圖9可知電磁驅(qū)動方式隔膜閥的流量增益Kq基本保持恒定值21 L/(min·mm)。手動驅(qū)動方式隔膜閥的流量增益Kq值從隔膜提升高度為0.1～0.33 mm 時(shí)的7 L/(min·mm)增大到兩種驅(qū)動方式交點(diǎn)處0.55 mm時(shí)的26 L/(min·mm)，在0.55～0.85 mm時(shí)的穩(wěn)定在43 L/(min·mm)，0.85 mm之后流量逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，其流量增益值逐漸減小至11 L/(min·mm)。

圖9 手動和電磁驅(qū)動隔膜閥流量增益(Δp=99 kPa)

手動和電磁驅(qū)動隔膜閥閥口壓差為99 kPa時(shí)隔膜在不同提升高度條件下的隔膜應(yīng)力云圖如圖10和圖11所示，圖12為手動驅(qū)動隔膜閥提升高度為0.55 mm時(shí)流體域壓力云圖，隔膜在提升時(shí)沿圓周方向流體流經(jīng)環(huán)形流道產(chǎn)生壓力損失，使得出口流道處的閥口壓差較大，導(dǎo)致隔膜在較小的提升高度時(shí)發(fā)生了偏置(用δ表示)，如圖10a和圖10b所示，使得出口處的閥口開度小于其他位置， 而電磁驅(qū)動方式由于隔膜受力均勻，如圖11a和圖11b所示，小開度時(shí)無偏置現(xiàn)象發(fā)生。

圖10 手動驅(qū)動隔膜閥開啟過程隔膜應(yīng)力云圖(Δp=99 kPa)

圖11 電磁驅(qū)動隔膜閥開啟過程隔膜應(yīng)力云圖(Δp=99 kPa)

閥口壓差為99 kPa時(shí)左右兩側(cè)閥口處隔膜形變和隔膜偏置量隨隔膜提升高度的變化關(guān)系如圖13所示。其中，隔膜偏置量是隔膜提升時(shí)在y方向的位移偏量，閥口總偏置量是偏置量與左右兩側(cè)閥口處形變量之差的總和，由于隔膜閥沿圓周方向大部分閥口與右側(cè)閥口一致，故此處以右側(cè)閥口為代表展開論述。

圖12中閥口總偏置量與圖8中流量-壓力特性曲線趨勢基本一致， 閥口流量的變化受閥口總偏置量影響較大。在隔膜提升高度為0.1～0.33 mm時(shí)， 隔膜總偏置量很小，故閥口流量主要受閥口提升高度的影響而線性增加；0.33～0.55 mm時(shí)隔膜總偏置量開始增大，閥口流量增益也快速增大；0.55～0.85 mm時(shí)隨著閥口總偏置量的增大，右側(cè)閥口面積在提升高度的基礎(chǔ)上與總偏置量的疊加， 使閥口流量在此階段快速穩(wěn)定增加；0.85 mm之后，隔膜總偏置量增速減緩，閥口流量增益也逐漸減小。

圖12 手動驅(qū)動隔膜閥局部壓力云圖(0.55 mm)

結(jié)合圖8～圖13，在隔膜提升高度較小時(shí)，手動驅(qū)動隔膜閥隔膜的應(yīng)變引起隔膜的偏置，軟質(zhì)材料的隔膜受流體的作用發(fā)生了非線性變形，且形變過程為無形變-開始形變-均勻變化-微小形變(形變量最大)。在隔膜提升不同高度時(shí)由于隔膜的偏置與形變導(dǎo)致手動驅(qū)動隔膜閥流量增益的變化，使得其流量特性曲線呈明顯的非線性特征。而由于電磁驅(qū)動隔膜閥受電磁力的均勻載荷作用，使得電磁驅(qū)動隔膜閥的流量增益近似為恒定值，流量特性曲線為近似線性特征[19-20]。

圖13 手動隔膜閥閥口總偏置量與隔膜提升高度的關(guān)系(Δp=99 kPa)

對比兩種驅(qū)動方式隔膜閥開啟過程發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)出口壓差一定時(shí)，手動驅(qū)動隔膜閥對流量控制為“緩慢開啟，快速穩(wěn)定增大”，閥口開啟過程中在隔膜提升小位移時(shí)隔膜閥對負(fù)載流量的控制比較遲緩，但此階段很短暫；隨之在小范圍的增大之后進(jìn)入穩(wěn)定敏感階段，即負(fù)載流量對隔膜提升高度較敏感，此階段持續(xù)范圍約占閥口開啟過程的1/3，且此階段為隔膜閥開啟過程中流量穩(wěn)定增大的關(guān)鍵階段。另外，電磁驅(qū)動方式由于隔膜受力較均勻，隔膜閥閥口流量的靈敏程度不隨閥口開度的變化而改變，保持近似恒定狀態(tài)[20-22]。

4 結(jié)論

本研究通過流固耦合數(shù)值模擬的方法，進(jìn)行了手動和電磁驅(qū)動方式作用下隔膜提升相同高度時(shí)，隔膜的形變以及閥口流動特性研究，結(jié)果表明：

(1) 兩種驅(qū)動方式的隔膜閥的流量-壓力系數(shù)均保持良好的線性關(guān)系，且手動驅(qū)動方式的流量-壓力系數(shù)小于電磁驅(qū)動方式，故手動驅(qū)動隔膜閥抵抗負(fù)載變化的能力更強(qiáng)。

(2) 電磁驅(qū)動隔膜閥的隔膜所受驅(qū)動應(yīng)力較為均勻，因此電磁驅(qū)動隔膜閥的流量增益近似為定值。而手動驅(qū)動隔膜閥的隔膜為集中載荷驅(qū)動，由于出口前的流道中存在一定的壓力，使得隔膜呈現(xiàn)明顯的偏置現(xiàn)象，從而導(dǎo)致其流量增益呈現(xiàn)非線性特性。