一种进水阀、流量的计算校验方法及计算校验装置与流程

本发明属于阀体领域，涉及一种进水阀，特别涉及一种进水阀、流量的计算校验方法及计算校验装置。

背景技术：

进水阀是一种常见的阀体，通常只有全开或全关两种工作状态，不能用来调节流量；而国内可以用来调节流量的进水阀，大多是从欧洲、美国或日本引进并生产的，只能使用现有的、已设计好的阀门。目前，我国在设计阀门的结构、控制阀门流量的计算等理论方面欠缺颇多，无法真正实现自主研发、自主计算、自主生产的流水线，虽然国内阀门的需求量越来越高，但部分利润还是流向国外，成本也无法下降。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种进水阀、流量的计算校验方法及计算校验装置。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种进水阀，包括阀体，所述阀体中部设有中心通道，所述中心通道外侧设有流量控制装置，所述流量控制装置包括流量座，所述流量座上设置有多根流量柱，所述流量柱由弹性材料制成；所述流量座与中心通道之间设有过水区域；所述阀体与橡胶片配合使用，所述两根相邻的流量柱、流量座和橡胶片之间形成一个中空的过水间隙，所述过水间隙与过水区域相通。

本发明的工作原理：流体通过供水系统进入进水阀，流体在进水阀中分为两部分:其中一部分通过中心通道的多孔板，另一部分通过流量座、流量柱和橡胶片之间的过水间隙，流入过水区域，然后两部分流体汇合。当进水压力增加时，橡胶片往流量座处变形并贴牢流量柱，进水阀根据规定范围的压力要求和公差精度和要求来调整并得到总的过水流量的间隙尺寸，并可通过流量柱不同的高度尺寸提供橡胶片形变量的非线性曲线应变特征。

作为优选，将所述流量柱分为多组中心轴对称的流量柱组，每组流量柱组的高度不同，所述进水阀可通过流量柱不同的高度尺寸来控制流量。

作为优选，所述每组流量柱组包括四根流量柱，以中心通道的中点为中心，四根流量柱之间两两对称，避免橡胶片歪斜。

作为优选，所述流量柱由橡胶制成。

作为优选，所述中心通道中设有多孔板。

一种用于检验进水阀流量的计算校验方法，包括以下步骤：

s1、将最高的流量柱的高度定义为h0，将δh定义为x·h0，将压缩到最大程度时的流量柱的高度定义为h1；

s2、将h定义为h0-n·δh，其中n＝0，1，2，……，h逐渐减小直至h小于或等于h1，得到若干个h的值；

s3、计算每个h值对应的进水阀承受的压强p(i)，

s4、计算模拟推导出中心通道上多孔板的恒定阻力系数ζc和流量座上的过水间隙存在的可变阻力系数ζg；

s5、计算出总阻力系数ζ，

s6、计算出每个h值对应的进水阀的流量qi，

s7、输出p(i)和qi。

作为优选，所述用于检验进水阀流量的计算校验方法还包括：s8、将步骤s4中所得的p(i)作为横轴，步骤s7中所得的qi作为纵轴，得出进水阀性能测试曲线，所述的性能测试曲线表达了该进水阀输入压力和输出流量的关系。

作为优选，进水阀的阻力系数可采用如下模型计算：

中心通道上多孔板的恒定阻力系数ζc是恒定的，可根据简单的试验和/或详细的几何形状的数值计算模拟来定义；

对于流量座上的过水间隙存在的可变阻力系数ζg，必须先获得可变阻力对范围h∈[0,max(hri)]内的过水间隙宽度ζg＝ζg(h)的依赖性曲线后，通过实验测量或/和详细的数学模拟计算获得；

作为第一次近似值计算，可采用以下方式。简单的几何学数值模拟(无流量柱的轴对称配置)完成，并定义关系式：ζg＝f0(h)，然后引入一个校正因子ψ来匹配几何间隙。

作为优选，所述用于检验进水阀流量的计算校验方法还包括如下模型基本假设：

a.流体是不可压缩的；

b.液体从橡胶片一侧的进水腔进入进水阀，并从进水阀另一侧的出水腔流出，所述进水腔压力p1和出水腔压力p2默认为恒定的，出水腔的压力p2＝0，进水腔压力设定为p1＝p；此假设是合理的，因为多孔板和过水间隙处的流速比进水腔和出水腔处大很多，出水腔可以考虑为一个储水容器。

c.在每个独立的进水压力值p的作用下，所述进水腔和出水腔的流态是稳定的；

d.假设流量座在过水间隙侧下方的平均压力等于外部压力为零；数值模拟表明，对于p＝0.1..1mpa，该假设的最大误差为5％。

e.每组相同高度的流量柱上的弹力跟在流量柱和橡胶片接触后橡胶片形变量成正比；橡胶片的总弹力是每组流量柱弹力的总和。

作为优选，所述进水阀的流量和进水阀承受的压强可采用如下公式推导计算：

在所作的假设范围内，中心通道的多孔板设一个恒定阻力系数ζc，过水间隙设定一个可变阻力系数ζg，总流量为两个流量的和：

q＝qc+qg(式1)

对于湍流条件，压强与流速之间存在着与每个阻力相对应的二次关系：

对于整个阀：

p＝ζq²(式4)

由式1～式4推导可知，总阻力系数ζ与恒定阻力系数ζc、可变阻力系数ζg之间的关系见式5：

详细的数值模拟仿真证实了上述假定流体系统用式5，公差在4％范围内；

假设所有的流量柱有相同的直径dr，则每个流量柱的横截面积为：

根据模型假设e，每对流量柱应用在橡胶片上的弹力等于

e代表橡胶件在特定变形条件下的弹性模量，l0是橡胶片厚度的初始厚度，li是在规定高度的流量柱接触时的橡胶件的形变量，橡胶件的形变量可以根据间隙的宽度看来计算：

l0-li＝max((hri-h),0)(式8)

hri是第i流量柱的高度，当现有间隙宽度h比流量柱的高度hri高的时候按式8处理；

在上述式7、式8的基础上，定义总的橡胶件的变形力为：

式9中，n为流量柱的数量；

根据模型假设d，将流量座上的总压力定义为：

fp＝psg(式10)

其中，sg为流量座暴露于过水间隙侧流量的表面部分；

根据力的平衡，得到fr＝fp，并根据式9、式10推导出以下式11，式11用于表达进水阀所受压强和间隙宽度的关系：

一种进水阀流量的计算校验装置，包括输入端、输出端、一个或多个处理器、储存器以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被储存在所述储存器中，并且被配置成由一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行进水阀的校验方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明中的模型是根据进水阀变量和恒量因素相结合的流量与压力特性的分析系统和计算方法。可变量表现为不同压力下流量座的不同流量柱的高度和橡胶片之间的过水面积，目的是为了分析和掌握达到在不同压力范围下的流量变化值。

2、本发明中的模型可以在计算机上应用，也可以独立应用。通过本发明中进水阀的结构、流体性能和橡胶形变量等来定义流量座和橡胶片的几何尺寸，并测定在不同压力下的流量值范围。本发明也可以用来检查进水阀测试数据的功能。

3、使用本发明中的进水阀可控制流量在15％范围内浮动，进水阀使用时间越长流量浮动范围越小，5分钟后可降低到5～10％，起到稳流的作用。

附图说明

图1是本发明进水阀的结构示意图；

图2是去掉橡胶片的进水阀的结构示意图；

图3是进入进水阀的流体流动示意图；

图4是实施例中用于检验进水阀流量的计算校验方法的流程图；

图5是实施例中进水阀压强与流量的测试曲线；

图中，1、阀体；2、中心通道；3、流量控制装置；4、流量座；5、流量柱；6、过水区域；7、橡胶片；8、过水间隙；9、多孔板；

q-总流量；qc-中心通道的流量；qg-过水间隙的流量；ζc-中心通道的恒定阻力系数；ζg-过水间隙的可变阻力系数；p-进水阀所受压强；p1-进水腔压力；p2-出水腔压力；

sr–流量柱的支撑表面积；n–流量柱的数量；hr1,hr2,...hrn–每个流量柱的高；l0–橡胶片的无应变厚度(初始厚度)；sg–橡胶片的暴露于过水间隙侧流量表面积；e–橡胶片的弹性模量；ζc–中心通道中多孔板的阻力系数；ζg＝f(h)–过水间隙的阻力系数；ψ–校正因子；pmin,pmax–输入水压的最小值和最大值；

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

如图所示，一种进水阀，包括阀体1，阀体1中部设有中心通道2，中心通道2外侧设有流量控制装置3，流量控制装置3包括流量座4，流量座4上设置有多根流量柱5，流量柱5由弹性材料制成；流量座4与中心通道2之间设有过水区域6；阀体1与橡胶片7配合使用，两根相邻的流量柱5、流量座4和橡胶片7之间形成一个中空的过水间隙8，过水间隙8与过水区域6相通。将流量柱5分为多组中心轴对称的流量柱5组，每组流量柱5组的高度不同，进水阀可通过流量柱5不同的高度尺寸来控制流量。每组流量柱5组包括四根流量柱5，以中心通道2的中点为中心，四根流量柱5之间两两对称，避免橡胶片7歪斜。流量柱5由橡胶制成。中心通道2中设有多孔板9。

流体通过供水系统进入进水阀，流体在进水阀中分为两部分:其中一部分通过中心通道2的多孔板9，另一部分通过流量座4、流量柱5和橡胶片7之间的过水间隙8，流入过水区域6，然后两部分流体汇合。当进水压力增加时，橡胶片7往流量座4处变形并贴牢流量柱5，进水阀根据规定范围的压力要求和公差精度和要求来调整并得到总的过水流量的间隙尺寸，并可通过流量柱5不同的高度尺寸提供橡胶片7形变量的非线性曲线应变特征。

模型基本假设：

a.流体是不可压缩的；

b.液体从橡胶片7一侧的进水腔进入进水阀，并从进水阀另一侧的出水腔流出，所述进水腔压力p1和出水腔压力p2默认为恒定的，出水腔的压力p2＝0，进水腔压力设定为p1＝p；此假设是合理的，因为多孔板9和过水间隙8处的流速比进水腔和出水腔处大很多，出水腔可以考虑为一个储水容器。

c.在每个独立的进水压力值p的作用下，所述进水腔和出水腔的流态是稳定的；

d.假设流量座4在过水间隙8侧下方的平均压力等于外部压力为零；数值模拟表明，对于p＝0.1..1mpa，该假设的最大误差为5％。

e.每组相同高度的流量柱5上的弹力跟在流量柱5和橡胶片7接触后橡胶片7形变量成正比；橡胶片7的总弹力是每组流量柱5弹力的总和。

进水阀的流量和进水阀承受的压强可采用如下公式推导计算：

在所作的假设范围内，中心通道2的多孔板9设一个恒定阻力系数ζc，过水间隙8设定一个可变阻力系数ζg，总流量为两个流量的和：

q＝qc+qg(式1)

对于湍流条件，压强与流速之间存在着与每个阻力相对应的二次关系：

对于整个阀：

p＝ζq²(式4)

由式1～式4推导可知，总阻力系数ζ与恒定阻力系数ζc、可变阻力系数ζg之间的关系见式5：

详细的数值模拟仿真证实了上述假定流体系统用式5，公差在4％范围内；

假设所有的流量柱5有相同的直径dr，则每个流量柱5的横截面积为：

根据模型假设e，每对流量柱5应用在橡胶片7上的弹力等于

e代表橡胶件在特定变形条件下的弹性模量，l0是橡胶片7厚度的初始厚度，li是在规定高度的流量柱5接触时的橡胶件的形变量，橡胶件的形变量可以根据间隙的宽度看来计算：

l0-li＝max((hri-h),0)(式8)

hri是第i流量柱5的高度，当现有间隙宽度h比流量柱5的高度hri高的时候按式8处理；

在上述式7、式8的基础上，定义总的橡胶件的变形力为：

式9中，n为流量柱5的数量；

根据模型假设d，将流量座4上的总压力定义为：

fp＝psg(式10)

其中，sg为流量座4暴露于过水间隙8侧流量的表面部分；

根据力的平衡，得到fr＝fp，并根据式9、式10推导出以下式11，式11用于表达进水阀所受压强和间隙宽度的关系：

一种用于检验进水阀流量的计算校验方法，包括以下步骤：

s1、将最高的流量柱5的高度定义为h0，将δh定义为0.01·h0，将压缩到最大程度时的流量柱5的高度定义为h1；

s2、将h定义为h0-n·δh，其中n＝0，1，2，……，h逐渐减小直至h小于或等于h1，得到若干个h的值；

s3、计算每个h值对应的进水阀承受的压强p(i)，

s4、计算模拟推导出中心通道2上多孔板9的恒定阻力系数ζc和流量座4上的过水间隙8存在的可变阻力系数ζg；

s5、计算出总阻力系数ζ，

s6、计算出每个h值对应的进水阀的流量qi，

s7、输出p(i)和qi。

作为优选，所述用于检验进水阀流量的计算校验方法还包括：s8、将步骤s4中所得的p(i)作为横轴，步骤s7中所得的qi作为纵轴，得出进水阀性能测试曲线，所述的性能测试曲线表达了该进水阀输入压力和输出流量的关系。

作为优选，进水阀的阻力系数可采用如下模型计算：

中心通道2上多孔板9的恒定阻力系数ζc是恒定的，可根据简单的试验和/或详细的几何形状的数值计算模拟来定义；

对于流量座4上的过水间隙8存在的可变阻力系数ζg，必须先获得可变阻力对范围h∈[0,max(hri)]内的过水间隙8宽度ζg＝ζg(h)的依赖性曲线后，通过实验测量或/和详细的数学模拟计算获得；

作为第一次近似值计算，可采用以下方式。简单的几何学数值模拟(无流量柱5的轴对称配置)完成，并定义关系式：ζg＝f0(h)，然后引入一个校正因子ψ来匹配几何间隙。

一种进水阀流量的计算校验装置，包括输入端、输出端、一个或多个处理器、储存器以及一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被储存在所述储存器中，并且被配置成由一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行进水阀的校验方法。

本发明中的模型是根据进水阀变量和恒量因素相结合的流量与压力特性的分析系统和计算方法。可变量表现为不同压力下流量座4的不同流量柱5的高度和橡胶片7之间的过水面积，目的是为了分析和掌握达到在不同压力范围下的流量变化值。

本发明中的模型可以在计算机上应用，也可以独立应用。通过本发明中进水阀的结构、流体性能和橡胶形变量等来定义流量座4和橡胶片7的几何尺寸，并测定在不同压力下的流量值范围。本发明也可以用来检查进水阀测试数据的功能。