张永军　李跃超

在真空泵和罐体之间装一台比例阀，比例阀和真空泵配合可改变抽速，保证罐内恒压。比例阀根据压力变化要求提供维持需要压力，比例阀与真空泵的选型多数靠经验来匹配，往往出现高能耗。通过 SolidWorks FlowSimulation对设备进行分析仿真，通过数据对比最优化的对比例阀与真空泵体的选型。

一、问题的提出

在真空设备和半导体设备中，常常有这样的工艺要求，某罐体内通入恒定流量的气体，并且保证罐体内恒压。通常采用方案是由一支流量计通入恒定流量的气体，出口连接一台真空泵抽气，在真空泵和罐体之间装一台比例阀，这样比例阀和真空泵配合可改变抽速，保证罐内恒压。

如图 1所示是一款真空产品真空气路图，工作顺序如下。

（1）首先关闭气动挡板阀 -Φ100、电磁阀、流量计和电磁充气阀，比例阀开度 100%，打开气动挡板阀 -Φ16。

（2）然后开启滑阀泵 -70 L/S预抽真空，真空度抽至30000Pa时关闭动挡板阀 -Φ16，比例阀开度 0%，开启气动挡板阀 -Φ100。

（3）真空度抽至 2000Pa时，罗茨泵 -300 L/S开启。

（4）真空度抽至0.5Pa时，关闭气动挡板阀 -Φ100、罗茨泵 -300 L/S，开启电磁阀、流量计，流量计保证 0.5 L/ S流量的氩气。

（5）达到 0.6atm时开启气动挡板阀 -Φ16，比例阀，比例阀和真空泵组成闭环，由 PLC控制其开度。此设备大部分时间在此状况下工作。

在一个实例中，比例阀结构是通径 Φ20的蝶阀，阀板在 0°～ 90°转动，以实现 0%～ 100%开启度。在保证0.6atm恒压时，开启滑阀泵，比例阀开度 8%。其 8%～ 100%调节用不到，而且极不灵敏。我们判断比例阀通径选大了。选多大合适呢？结合 SolidWorks FlowSimulation模拟，让我们寻找合适的比例阀通径。

SolidWorks Flow Simulation是一款比较经典的流体分析软件，它能解决流体流动分析、热分析、共轭传热、瞬态分析，并能作出漂亮视频、图片、图表及报表，且易学易用。除了软件本身向导式的操作流程之外，强大的数据库可以让使用者减少搜集分析所需数据的工作量。更重要的是与 CAD的无缝集成，可以实现分析结果驱动 CAD参数。使用者无需单独创建流体域，网格划分也极大地减少了使用者的工作量。总之无论是软件的工程化界面，全中文的在线帮助文档，都是使工程师不花费过多的精力在软件工具的使用上，而是让使用者有更多的精力用在产品的创新上（图 2）。

二、模拟方案选定

事先的假定：由于比例阀结构尺寸很难得到，没有办法得到正确的几何模型，我们将其等效为小于相邻管径的圆形通孔。例如，管道通径 Φ16，将比例阀看成可以调节成0～ Φ16一段小管。

方案一：生成所有的结构模型，假定比例阀通径（例如 Φ10），边界条件是入口（0.5/0.6） L/S体积流量的Ar（如案例描述中 0.5 L/S的流量是在 1atm下，需要换算在 0.6atm下的流量），出口体积流量 70 L/S，网格化后计算出现问题，因为此内流管道分析问题中有三个变量，入口压力、出口压力和流量，软件会根据已有的两个变量计算第三个变量，如题入口、出口都指定了流量边界条件，软件不支持此种边界条件的输入，换句话说入口与出口的质量是守恒的。所以此方案行不通。

方案二：分析此案例中零部件，流体在比例阀开度变化过程中，各管道和元器件流动参数比较稳定，但在比例阀前后接近的区域变化较大，因此将比例阀前后掐头去尾，等效成如图 3所示结构。

中间 Φ10部分可调，等效为比例阀阀板。左端为出口边界条件，抽速 70 L/S。右端不能添加体积流量入口边界条件，改为 0.6atm总压。我们计算比例阀开度为 Φ10时，右端入口是否为1atm 下0.5L/S 体积流量的Ar。环境为常温、0.6atm。调整比例阀开度，达到1atm 下0.5L/S 流量时，此开度即为所求。

三、模拟过程

在 CAD中完成建模，在 FLOW中软件可以使用【创建封盖】功能是模型完全封闭，符合内流分析的条件。软件可以自动识别流体区域，不需要指定流体域（图 4）。

SolidWorks FlowSimulation的向导可以完成分析项目的 75%的定义，包括定义：项目名称（分析项目可以与CAD配置结合）、设置单位、分析类型（内流、外流，关注因素）、默认流体（支持子流域、流体混合）、壁面条件、初始条件和网格设置（可以关联 CAD模型的尺寸）等，如图 5～图 11所示。

设置边界条件压力和体积流量，定义分析目标类型，使用方程式目标将入口的体积流量转换为 1atm下的体积流图8量（图 12）。

结果后处理：可以查看网格、切面图解、等值面、流添加目标并定义目标的公差范围（图 17）。

查看目标结果：可以查看入口、出口的质量流量、压力和速度之间的关系（图 14和图 15）。

当比例阀开度等于 Φ10的孔时，如果需要保存炉体压力为 0.6atm的压力时，需要的流入系统的体积流量在1atm时为 8.0619 L/S。如果 0.5 L/S的流量维持 0.6atm压力，需要调整比例阀开度，利用 Flow的参数研究功能可以寻找适当的比例阀开度尺寸。

选择参数研究中的目标优化，定义变量为模型孔直径尺寸，定义参数的变化范围 1mm～ 10mm（图 16）。

添加目标并定义目标的公差范围（图17）。

优化算例点（图 18和图 19）。

经过软件设计点的采样计算，按照定义的目标。软件优化孔直径为 Φ2.658mm，取整 Φ2.7mm，符合实际的比例阀调节开度。

运用参数研究中的功能，保持孔直径为 Φ2.7mm不变，改变出口的体积流体为 70 L/S、60 L/S、50 L/S、40 L/S、 30L/S、20 L/S、10 L/S、9 L/S、8 L/S，记录对入口体积流量的变化。添加边界条件作为变量类假设分析型为离散值（图 20）。

定义目标参数输出（图 21）。假设分析结果输出（图 22）。

对比增大出口的体积流量对入口的参数（流量、速度）影响几乎不变，改变的是出口的流体速度与流体密度（可以将入口、出口的气体密度作为目标参数），使用出口大体积流量需要更多的能耗、流速过大会产生设备震动和噪音。

四、结语

根据分析结果可以判断选用合适通径的比例阀。实际改为 Φ10通径比例阀。保持炉体内 0.6atm时开度 40%，变化灵敏，精度高。

五、引申

由于抽速大于某个值，对压力和比例阀开度没有影响，因此可以增加 9 L/S抽速的旋片泵作为维持泵，在保证恒压时替代滑阀泵。如图 23所示。

（1）减少噪音。

（2）减少滑阀泵保养次数，增加滑阀泵寿命。

（3）降低使用成本，滑阀泵电机功率 7.5kW，旋片泵电机功率 1.5kW，价格 5000元，设备连续生产 3个月，所节省的电费，已经高于旋片泵价格。

六、讨论

（1）定义比例阀两端腔室的压力为目标，同时使用方程式目标表达压差，维持压力不能太低，要保证管道内存在流体流动时，本案例成立。

（2）实际工况，气体流经罐内加热体，但比例阀前后温差很小，且约等于环境温度，因此不考虑温度变化。

（3）此案例可制作一个原始模型，解决此类问题。

（4）将一个复制的系统问题，提取关键因素，合理的简化，是仿真分析的精髓。endprint