 很多人认为阀门是通过调节流通面积的大小来调节流量的，这是一种不正确的认识，实际上阀门调节流量主要靠的是产生流动损失。  导读 大多数阀门都是靠产生流动损失来控制流量的，而不是靠控制流通面积。产生流动损失意味着流体通过阀门后有明显的压力降低，这样流体流动的“劲头”就小了，于是流量就减小了。当然在某些情况下，流通面积也会起到控制流量的作用，比如喉道处气体流速达到声速的情况。 01. 几种阀门 常见的阀门有闸阀、球阀、蝶阀、针阀等等，它们表面上看起来都是靠控制流通面积来控制流量的，毕竟流量就是随着流通面积的减小而减小的呀。     02. 特殊的“阀门” 现在通过一个特殊的“阀门”来理解阀门的原理。这个阀门的喉部面积是用某种柔性壁面来控制的，后部尽量缓慢扩张来避免流动分离。  逐渐减小喉部面积，我们会发现流量与喉部横截面积并不直接相关。面积减小到原来的一半时，流量只减小了一点点。 继续减小喉部面积，当喉部面积很小时（比如低于20%管道面积），流量开始迅速减小，直到关死阀门时，流量减小到零。 下图请横屏观看： 对上面曲线的解释如下： 流量的表达式为： 当流通面积减小时，只要流体速度或密度相应增大，流量就未必会减小。 实际情况是，当气体速度较低时，密度变化很小，只要没有分离，管道流动损失也基本可忽略，喉部的速度会随着面积的减小同比例地增大，流量保持不变。（对应上图中的A以前） 继续减小喉部面积，扩张段会出现分离，产生流动损失，对来流形成阻力，进口的流体会减速，于是流量就相应地减小了。（对应上图中的A到B） 当喉部面积减到很小时，当地的流速达到声速，速度不能继续增大了，再减小喉部面积，流量就随之减小了。同时，扩张段的激波和分离损失也会进一步地减小流量。（对应上图中的B到C） 03. 阀门作用分析 这里针对一种情况分析阀门的作用，就是阀门下游经过一段管道后排入大气的情况。这时，管道出口的压力始终等于大气压。至于其它的情况，读者可以自行分析，其中阀门的原理都是一样的。 对于下游压力固定的情况，阀门是靠提高上游的压力使来流减速从而减小流量的。 下图给出了阀门全开和阀门半开时，沿管道的压力分布规律。可以看到，当阀门半开的时候，整个上游的压力都上升了，根据伯努利定理，可知整个上游的流速都变慢了，也就是管道的流量减小了。 下图请横屏观看： 上图中各段的流动分析如下： A→B： 从点A到点B是加速流动，基本没有流动损失，符合伯努利定理。点B处水的速度大小取决于A、B两点的压差，水就是在这个压差力作用下加速的。 B→C： 从点B到点C是匀速流动，壁面对水有摩擦阻力，需要有一个压差力来平衡，所以点C的压力低于点B。当然这也可以解释为管道产生的流动损失。 C→D： 点C和点D截面积相同，水的流速也应该相同，由于阀门对水有阻力，所以点D的压力必然低于点C。这也可以解释为阀门产生的流动损失，这个损失主要由阀门中的流动分离产生。在点C和点D之间，阀门半开的时候存在一个小面积的喉部，该处的压力低流速高。 D→E： 水从点D到点E的流动与点B到点C类似。 04. 阀门的设计原理 因为阀门产生的流动损失才是引起流量减小的原因，所以阀门的喉部面积与流量之间经常没有直接关系。这产生的直接后果就是现实中的阀门线性度一般都比较差，调节的时候感觉不太好用。要想有线性度较好的阀门，不能只考虑喉部面积变化，还应该关心阀门产生的流动损失。 除了一些经验公式之外，设计中通过做实验来迭代也是目前一条必不可少的路。原因是分离损失较难评估，完全依赖经验公式和数值模拟的设计都可能会失败。 常见的阀门调节需求有三种：快开、线性和等百分比。实际应用中没有阀门可以精确满足任何一种，只能是尽量接近。 文章转自王洪伟老师 |
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