不同驱动方式下超纯水隔膜阀阀口流动特性研究

闵 为， 米智强， 李 成， 王卓锋， 胥 敏

(兰州理工大学 能源与动力工程学院， 甘肃 兰州 730050)

引言

隔膜阀不仅结构简单、密封性好、压力损失小，而且还具有传统液压阀所不具备的耐腐蚀、耐冲击和耐磨损等特点，因此在超纯介质流体控制系统中(如信息技术、生物医疗和新能源技术等)广泛使用。超纯水隔膜阀不仅可实现简单的启闭功能， 还可以比例阀的形式实现流量的精确控制，其可靠性、寿命与流量控制稳定性对整个超纯水流体控制系统的性能具有重要影响[1-2]。因此，研究隔膜阀隔膜提升高度与流量、压力之间的关系具有重要意义。

20世纪80年代起，如何使用隔膜阀实现超纯水的流量稳定控制作为一个新课题出现在国际视野中，学者们对提高隔膜阀使用寿命、改善阀口流量控制精度和研究不同驱动方式等方面进行了研究。

为降低隔膜应力、延长隔膜阀的使用寿命，IRAJ Gashgaee等[3]通过在活塞和隔膜连接端开孔，采用气压的方式压紧隔膜，可使隔膜闭合紧密，减少气泡产生，降低隔膜所受应力，相比于改进前的阀杆压紧隔膜使隔膜受集中力，改进之后隔膜寿命明显提高。MÜLLER, FRITZ[4]在隔膜阀启闭过程中，设计了一种由PFA(可溶性聚四氟乙烯)制作而成的辅助压片，并在压片与隔膜直接接触区域涂覆摩擦系数非常低的材料涂层，减少隔膜与压片在隔膜阀启闭过程中相对运动时的摩擦力，从而防止隔膜的弹性体材料局部过度拉伸，减少由摩擦带来的颗粒物脱落，使用寿命得以延长。

为了提高阀口流量的精确控制、减少内泄漏，WESTFORD等[5]在隔膜与阀盖之间添加柔性背衬构件，控制隔膜在阀室中的运动自由度，从而精确控制阀口流量。KAZUO Satoh等[6]在阀座上设置了密封凸缘，防止长久使用或者在极端工况下热胀冷缩而导致的变形，改善了内泄漏的问题，也提高了批量加工隔膜的良品率。MULLER, FRITZ (INGELFINGEN, DE)等[7]添加了一种特定制动器，使隔膜阀关闭时，制动器能在整个圆周上均匀地施加压力，流体密封性得到显著改善，并通过设置专用的传感器螺纹孔，对隔膜阀进行监控与检测。

在隔膜阀的驱动方式改进方面，LEYS John等[8]设计了一种蠕变补偿机构，采用蠕变补偿机构，只需要保持下基部和上盖部保持长滑杆接合，可使轴向长度收缩至较小的轴向长度，不仅减缓蠕变，还可补偿已发生的蠕变,同时采用限位凸轮，限制旋转时阀杆的最大位移。PRATT Wayne L.等[9]采用双隔膜控制启闭，专门在隔膜外围的轴肩上设计了一个小凸台，该设计不仅有利于密封，而且无需额外使用密封圈来密封，小推力轴承和弹簧的组合使用来控制隔膜的变形与复位。

综上所述，研究者们在改善隔膜的应力状态、密封性，提升隔膜的寿命和可靠性方面进行了大量研究，但在驱动方式对隔膜阀阀口流动特性方面的研究较少。因此，本研究采用流固耦合的方法研究了不同驱动方式下的隔膜阀阀口流动特性，研究结果对比例隔膜阀的流量精确控制具有指导意义。

1 超纯水隔膜阀结构及工作原理

比例超纯水隔膜阀结构如图1所示，主要由隔膜(阀芯)、阀座和驱动机构组成，隔膜阀上有进、出两个油口。作为启闭件的隔膜用软质材料制成，在超纯水流体控制系统中一般采用PTFE或PFA。可动隔膜与固定阀座形成阀口，隔膜通过上下运动实现阀口开度的连续变化，从而实现从入口到出口的流量精确控制[10]。隔膜的运动驱动方式有手动驱动和电磁驱动等，其中手动驱动隔膜阀是将隔膜与其上端的阀杆螺栓连接，通过控制阀杆的运动从而带动隔膜运动，实现阀口开度的连续变化；电磁驱动隔膜阀的阀口启闭，是在两个隔膜片螺纹连接之间嵌入网状金属丝，通过电磁铁对金属丝的吸合力使隔膜比例可控的向上提升。由于手动驱动是阀杆以集中力的形式作用在软质材料的隔膜上，电磁驱动是电磁力均匀的作用在隔膜上，两种驱动方式使隔膜运动时产生的形变(用ε表示)有所不同，阀口流动特性也呈明显差异。因此，本研究将对同一种隔膜阀在手动和电磁两种不同驱动方式下，隔膜阀内部超纯水的流动状态进行研究分析。

图1 比例隔膜阀结构图

2 隔膜阀流-固耦合分析

2.1 数值计算模型

如图2、图3和表1所示为比例隔膜阀流固耦合仿真模型及结构参数，为确保计算初始时刻流体域的连续性，将隔膜阀的隔膜预提升高度设置一定的预开口量(0.1～0.2 mm)。

表1 模型结构参数

图2 手动比例隔膜阀流固耦合计算模型

图3 电磁比例隔膜阀流固耦合计算模型

将计算模型导入COMSOL中进行的网格剖分结果如图4所示。由于隔膜与阀座之间并不是平滑的线密封，因此采用四面体网格划分方法，且对阀口处网格进行局部加密，并通过合适设置狭窄区间解析度、最大单元生长率等重要参数设置的方法确保网格平滑过渡；为了充分考虑流道内的粘性底层流动特性，对流体区域划分边界层网格；为了在保证计算精度的前提下减少计算量，在计算之前通过监测如图4所示三个点的应力σ受网格数量的影响，排除网格对计算结果的影响，如图5所示最终确定网格数量n为300万左右的计算模型[11～12]。

图4 网格无关性验证检测点

图5 网格无关性验证

2.2 边界条件设置

(1)

式中，ρ—— 流体的密度

v—— 流体的速度

d—— 特征长度

μ—— 动力黏度

流经该隔膜阀的最大流速为0～11 m/s，带入式(1)中计算雷诺数为层流范围，故流体域采用层流模型进行计算[13]。

计算模型的参数设置为：超纯水密度1000 kg/m3，超纯水黏度0.001 Pa·s，压力入口值分别为69, 79, 89, 99, 109, 119, 129 kPa，压力出口值0 Pa。为了保证计算准确性和收敛性，采用全耦合(Interaction)方法对离散方程求解。

2.3 数值计算

在隔膜阀开启过程中，由于隔膜会产生不同程度的变形，而该形变量导致阀口开度与隔膜提升高度并不一致，且现实中真正的阀口开度难以测量。因此，本研究中将变形量最小且最易测量的监测点3的位移作为隔膜提升高度x，并用隔膜提升高度衡量隔膜阀的开启程度，而阀口开度则从流固耦合计算结果中得出。

手动超纯水隔膜阀，在隔膜的轴线上施加拉伸位移，给定隔膜位移1.3 mm；对于电磁超纯水隔膜阀，在隔膜的上表面施加均匀应力，保证电磁驱动和手动驱动的隔膜位移保持一致。监测结果显示，在69 kPa的阀口压差下，阀口最大流速为10.4 m/s(如图6所示)，符合产品样本中隔膜阀的流速范围，因此认为计算模型及方法正确。手动和电磁两种驱动方式都采用上述边界条件，并监测隔膜提升高度和通过阀口的流量。

图6 电磁驱动超纯水隔膜阀阀内速度云图(Δp=99 kPa)

3 结果分析

3.1 最大提升高度时的流量压力关系

(2)

式中,Kc—— 流量-压力系数

qL—— 通过阀口的流量

pL—— 阀口压差

如图7所示为最大阀口开度时，隔膜阀入口压力69～129 kPa每隔10 kPa计算条件下，手动和电磁两种不同驱动方式隔膜阀的流量-压力特性曲线，其斜率即为流量压力系数Kc。由图可知电磁驱动方式超纯水隔膜阀流量-压力系数Kc为一恒定值， 而手动驱动方式隔膜阀的流量-压力系数Kc值在99 kPa时出现拐点，且阀口压差大于99 kPa时的流量-压力系数Kc值相比于69～99 kPa有所降低，但拐点前后依然为定值，且手动驱动两个阶段的流量-压力系数Kc均小于电磁驱动。

图7 手动和电磁驱动隔膜阀流量-压力特性曲线

对比手动驱动与电磁驱动隔膜阀的Kc值可知：电磁驱动方式Kc为一定值，即电磁驱动方式隔膜阀阀口通流更加稳定；另外，手动驱动隔膜阀在99 kPa附近出现拐点，且拐点前后的Kc都小于电磁驱动的Kc，由此可知手动驱动隔膜阀抵抗负载变化的能力更强，即手动驱动隔膜阀的刚度更大。从动态的角度看，Kc是系统的一种阻尼，当系统振动加剧时，负载压力的增大使隔膜阀输给系统的流量较小，这有助于系统振动的衰减[14]。

3.2 隔膜提升高度-流量特性曲线

如图8所示为手动和电磁两种驱动方式隔膜阀的流量特性曲线，用隔膜提升高度代替阀口开度以衡量隔膜阀隔膜开启程度。在隔膜阀的常用工作压力范围内(69～129 kPa)，两种驱动方式的流量特性曲线均相交于隔膜提升高度为0.55 mm附近。由图可知，电磁驱动的流量特性曲线为近似线性，手动驱动的为非线性。其中，手动驱动的阀口流量在隔膜提升高度为0.1～0.33 mm时开始缓慢增加；在0.33～0.55 mm时阀口流量增加的速度逐渐增大；在0.55～0.85 mm时，阀口流量随隔膜提升高度呈线性增加；在0.85 mm之后逐渐达到流量饱和状态[15-17]。

流量增益：

(3)

式中,Kq—— 流量增益

前期面积估测中，出现估测数据差异甚大的现象。这主要是因为学生对面积单位表象的建立记忆不深刻，缺乏估测策略。后期面积教学中，教师继续建构常见面积单位的表象，发展学生的度量意识。

qL—— 阀口的流量

xv—— 隔膜提升高度

提取图8中99 kPa时流量特性曲线斜率绘制如图9所示手动和电磁驱动隔膜阀流量增益值Kq与隔膜提升高度的关系曲线[18-19]。

图8 手动和电磁驱动隔膜阀流量特性曲线

由图9可知电磁驱动方式隔膜阀的流量增益Kq基本保持恒定值21 L/(min·mm)。手动驱动方式隔膜阀的流量增益Kq值从隔膜提升高度为0.1～0.33 mm 时的7 L/(min·mm)增大到两种驱动方式交点处0.55 mm时的26 L/(min·mm)，在0.55～0.85 mm时的稳定在43 L/(min·mm)，0.85 mm之后流量逐渐达到饱和状态，其流量增益值逐渐减小至11 L/(min·mm)。

图9 手动和电磁驱动隔膜阀流量增益(Δp=99 kPa)

手动和电磁驱动隔膜阀阀口压差为99 kPa时隔膜在不同提升高度条件下的隔膜应力云图如图10和图11所示，图12为手动驱动隔膜阀提升高度为0.55 mm时流体域压力云图，隔膜在提升时沿圆周方向流体流经环形流道产生压力损失，使得出口流道处的阀口压差较大，导致隔膜在较小的提升高度时发生了偏置(用δ表示)，如图10a和图10b所示，使得出口处的阀口开度小于其他位置， 而电磁驱动方式由于隔膜受力均匀，如图11a和图11b所示，小开度时无偏置现象发生。

图10 手动驱动隔膜阀开启过程隔膜应力云图(Δp=99 kPa)

图11 电磁驱动隔膜阀开启过程隔膜应力云图(Δp=99 kPa)

阀口压差为99 kPa时左右两侧阀口处隔膜形变和隔膜偏置量随隔膜提升高度的变化关系如图13所示。其中，隔膜偏置量是隔膜提升时在y方向的位移偏量，阀口总偏置量是偏置量与左右两侧阀口处形变量之差的总和，由于隔膜阀沿圆周方向大部分阀口与右侧阀口一致，故此处以右侧阀口为代表展开论述。

图12中阀口总偏置量与图8中流量-压力特性曲线趋势基本一致， 阀口流量的变化受阀口总偏置量影响较大。在隔膜提升高度为0.1～0.33 mm时， 隔膜总偏置量很小，故阀口流量主要受阀口提升高度的影响而线性增加；0.33～0.55 mm时隔膜总偏置量开始增大，阀口流量增益也快速增大；0.55～0.85 mm时随着阀口总偏置量的增大，右侧阀口面积在提升高度的基础上与总偏置量的叠加， 使阀口流量在此阶段快速稳定增加；0.85 mm之后，隔膜总偏置量增速减缓，阀口流量增益也逐渐减小。

图12 手动驱动隔膜阀局部压力云图(0.55 mm)

结合图8～图13，在隔膜提升高度较小时，手动驱动隔膜阀隔膜的应变引起隔膜的偏置，软质材料的隔膜受流体的作用发生了非线性变形，且形变过程为无形变-开始形变-均匀变化-微小形变(形变量最大)。在隔膜提升不同高度时由于隔膜的偏置与形变导致手动驱动隔膜阀流量增益的变化，使得其流量特性曲线呈明显的非线性特征。而由于电磁驱动隔膜阀受电磁力的均匀载荷作用，使得电磁驱动隔膜阀的流量增益近似为恒定值，流量特性曲线为近似线性特征[19-20]。

图13 手动隔膜阀阀口总偏置量与隔膜提升高度的关系(Δp=99 kPa)

对比两种驱动方式隔膜阀开启过程发现，在进出口压差一定时，手动驱动隔膜阀对流量控制为“缓慢开启，快速稳定增大”，阀口开启过程中在隔膜提升小位移时隔膜阀对负载流量的控制比较迟缓，但此阶段很短暂；随之在小范围的增大之后进入稳定敏感阶段，即负载流量对隔膜提升高度较敏感，此阶段持续范围约占阀口开启过程的1/3，且此阶段为隔膜阀开启过程中流量稳定增大的关键阶段。另外，电磁驱动方式由于隔膜受力较均匀，隔膜阀阀口流量的灵敏程度不随阀口开度的变化而改变，保持近似恒定状态[20-22]。

4 结论

本研究通过流固耦合数值模拟的方法，进行了手动和电磁驱动方式作用下隔膜提升相同高度时，隔膜的形变以及阀口流动特性研究，结果表明：

(1) 两种驱动方式的隔膜阀的流量-压力系数均保持良好的线性关系，且手动驱动方式的流量-压力系数小于电磁驱动方式，故手动驱动隔膜阀抵抗负载变化的能力更强。

(2) 电磁驱动隔膜阀的隔膜所受驱动应力较为均匀，因此电磁驱动隔膜阀的流量增益近似为定值。而手动驱动隔膜阀的隔膜为集中载荷驱动，由于出口前的流道中存在一定的压力，使得隔膜呈现明显的偏置现象，从而导致其流量增益呈现非线性特性。