为了验证数值模拟的真确性，数值模拟的阀门开度与具体实验阀门开度要一一对应。当步进电机转过110步时，阀门开度为100%，阀门开度与步进电机转动步数之间的关系，如表1所示：

　　表1阀门开度与转动步数关系表

Table 1 Relationship of Valve Opening and Step 阀门开度(%) 11.76 14.12 17.65 22.35 29.41 37.65 47.06 64.71 82.35 100 电机转动步数n 13 16 20 25 33 42 52 72 91 110 所以分别对阀门开度为11.76%，14.12%，17.65%，22.35%，29.41%，37.65%，47.06%，64.71%，82.35%和100%十一个不同开度，以及微型阀门开度一定时，阀门入口平均速度为1.5m/s，1.25m/s， 1.0m/s， 0.75m/s ，0.5m/s 和0.25m/s六个不同流速的工况进行数值模拟，得到该阀门模型入口与出口的压差。

　　2.3数值模拟结果

笔者共对微型阀门的10个不同开度，6个不同流速，共60种不同工况进行了数值模拟。图6、图7是数值模拟得到的在阀门不同开度下，部分工况的速度和压力云图，每组图包括4张小图，它们依次是速度矢量图，剖面处速度云图，压力云图和剖面处压力云图：

　　图6 11.76%开度 v=0.25m/s

Figure 6 11.76% Opening v=0.25m/s

　　图7 47.06%开度 v=1m/s

Figure 7 47.06% Opening v=1m/s 数值模拟的所得的阀门开度，阀门入口平均流速与阀门入口处平均压力(表压力)的关系如表4-2所示：

　　表4-2数值模拟结果

Table 4-2 Numerical Simulation Results 开度(%) 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 11.76 2422.962 9726.051 21883.47 38903.08 60776.660 87531.906 14.12 894.273 3577.419 8018.832 14547.906 22482.811 32475.340 17.65 599.462 2395.544 5391.489 9590.325 14968.760 21559.682 22.35 397.213 1588.189 3573.289 6352.917 9926.262 14289.434 29.41 203.947 815.557 1834.828 3261.766 5096.538 7424.433 37.65 111.954 447.610 1007.010 1789.757 2796.485 4027.840 47.06 79.563 309.055 692.481 1224.425 1924.662 2765.870 64.71 43.051 173.688 335.468 583.378 1081.060 1526.502 82.35 30.604 122.627 275.970 526.310 832.862 1167.530 100 29.878 120.453 270.017 499.877 782.912 1120.669 3结论与分析上述结果与笔者所做的实验数据比较可得，在阀门开度相同，阀门入口平均流速相同时，阀门实际压损要比数值模拟时的略大，但是随着阀门开度的逐渐增大，具体实验值与数值模拟值之间的差别逐渐缩小，通过计算可知最大开度时具体实验阀门的压损与数值模拟阀门的压损相差不到10%。经过研究发现，造成这种情况的原因主要有两种：

　　(1)阀门内部零件机械加工精度不够，表面结构不够规则，将实验的阀门拆开后仔细观察，发现球形阀芯的上边缘有一微小的突起，这是在进行模具注塑时从模具两个芯的缝隙间渗漏出来的部分注塑材料。由于结构不够规则，造成了阀门压损的增加。

(2)数值模拟时阀门的开度是连续调节的，具体实验时阀门的开度是步进的，步进电机的最大转动步数是110步，且只能走整数步，所以阀门从全关到全开的过程是间断的，被分成了110份。通过与实验数据比较，数值模拟数据并未完全与之对应，中间会有步进电机步的误差，而阀门在开度较小时，开度对阀门压损的影响很大，所以在阀门开度较小时数值模拟数据与具体实验数据偏差相对较大，但是最大误差不超过10%。由于阀门基本都是在全开或开度较大的工况下工作的，因此开度较小工况下，数值模拟与具体试验之间的偏差对阀门流体特性分析所产生的影响不大。

　　此外，从以上各组图的速度压力云图可以看出，阀内流体的流动状态可分为以下几段进行分析，如图8所示。

　　Ⅰ区阀芯前直管段：该区流体的流动状态是层流，速度变化不大，流体的静压基本不变。

　　Ⅱ区阀芯阀座调节段：该区流体通过阀芯和阀座配合形成的节流小口后，流速明显增加，静压急剧下降。流体流出节流口后分成主要的两部分，一部分形成速度方向为水平的主流。另一部分液流与壁面发生脱离的现象，这部分液流在容腔的拐角处形成明显的漩涡。

　　图8 阀门流场分段图

　　Figure 8 Segmental Diagram of Flow Field

Ⅲ区阀芯后半段：该区的通流截面面积变化率很小，流体流入该区后，速度迅速下降，这主要是由于阀芯后的区域面积比阀门入口处面积大很多，而且通流截面面积基本不变，根据连续方程和阀门结构尺寸可知，流体流经阀门后的平均流速是入口时的二分之一左右。

　　Ⅳ区圆柱形连接杆绕流段：当流体流经阀芯的连接杆时附近流体的流速也会发生较大的变化，但是速度变化率要比阀芯与阀座之间截面处速度变化率小的多。

　　Ⅴ区阀门出口段：流体流至阀门出口变截面之前其流速基本稳定，Ⅴ区的流体流动类型可以认为是管道截面突然缩小的流动类型。流体从大直径的管道流往小直径管道时流线必须弯曲，流束必定收缩。当流体进入小直径管道后，由于流体由惯性，流体将继续收缩，直至最小截面(缩颈)，而后由逐渐扩大，直至充满整个小直径截面。在缩颈附近的流速与管壁之间由以充满小漩涡的低压区，如以上各压力云图中阀门出口处的蓝色区域。

　　该阀门主要是通过控制阀芯与阀座间的位置关系来改变该处的通流面积，当流体流经这一突变截面时会产生巨大的能量损失，从而达到控制流体流量的目的。但是通过对阀门流场的分析发现其内部还有许多结构会使流过的流体产生局部损失，如圆柱形连杆附近和阀门出口处的变截面部分。这些损失是应该避免的，它使得阀门在全开状态下的压损增大，也就是说减小了阀门对流量的调控范围。可采取一些措施将这些部分的结构进行一定的优化，提高阀门特性。通过以上分析，可提出了微型阀门结构优化方案：

　　1、图8所示的Ⅴ区是一个管道截面突然缩小的结构，流体在该处会产生局部损失。可将该突变截面处进行倒角[7]，这样将会减少该处的局部损失;同时该方案还可以增大阀芯的旋转角度范围，也可减小局部损失。

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