Ball Valve (G)

燃气管网中的球阀。

类型: EngeeFluids.Gas.Valves.FlowControl.Ball

图书馆中的路径:

/Physical Modeling/Fluids/Gas/Valves & Orifices/Flow Control Valves/Ball Valve (G)

说明

球阀 (G)* 装置是燃气管网中的球阀。球阀由一个球体和一个可在阀体内部旋转的阀嘴组成。阀门打开时，阀嘴与阀门的入口和出口完全对准。阀门关闭时，球体旋转并减少重叠量，从而减小有效孔口面积。球阀通常用于流量切断应用，因为它们可以在多次循环中可靠地切断流量。在需要精确节流的应用中，球阀则不太常见。S 端口上的物理信号可控制球体的旋转。

端口参数化

局部阻力容量的计算取决于 * 阀门参数化 * 参数的值：

Cv 流量系数 - 流量系数决定了流量与压降的关系；
Kv 流量系数 - 流量系数确定流量与压降的关系，；
声导"--稳态声导确定临界流量下的流通能力，临界流量是指流速等于局部声速的条件。当出口压力与进口压力之比达到一个称为临界压力比的值时，流量达到临界值；
孔口面积"--孔口面积决定流量。

开口面积

在模拟过程中，程序块根据 S 端口输入数据计算球阀的开启面积。开启面积的计算取决于*开启特性*参数。

重叠圆的面积

当*开启特性*参数设置为 "重叠圆的面积 "时，程序块会假设阀嘴和球道为重叠圆来计算阀门开启面积。当端口 S 的输入信号超出 0 rad 至 π/2 rad 的范围时，开启面积将达到饱和。

阀块计算开启面积的方法如下

其中

和分别为阀口和球口的半径；
- 阀嘴中心相对于阀口中心的位移；
- 由 S 端口信号设定的球阀旋转。阀门在 0 半径处完全关闭，在 π/2 半径处完全打开。

表列面积

如果将*开度特性*参数设置为 "制表"，程序块将根据*面积矢量*、Cv 流量系数矢量、*Kv 流量系数矢量*或*声导矢量*参数对阀门开度进行内插。这些矢量中的元素与*球旋转矢量*参数中的元素相对应。该程序块使用线性插值法在数据点之间进行插值，并对表格边界以外的点使用最近外推法。

质量流量方程

程序块方程取决于*阀门参数化*参数。

如果 Valve parametrization 参数设置为 "Cv 流量系数"，则质量流量的定义为

其中

- 是参数 * 最大 Cv 流量系数 * 的值；
- 阀门开启面积；
- 是阀门全开时的最大阀门面积；
- 质量流量（千克/小时）、压力（巴）和密度（千克/米³）的常数，等于 27.3；
- 膨胀系数；
- 入口压力
- 出口压力；
- 入口密度。

膨胀率定义如下

其中

- 是绝热指数与 1.4 之比；
- 有窒流量时的参数 *xT 压差比系数*的值。

当压力比超过*层流压力比*参数值时，可平稳过渡到使用线性化方程

其中

当压力比低于时，流量变为临界值，方程为

当*阀门参数化*设置为 "Kv 流量系数 "时，设备使用相同的方程，但使用压力比替换为。有关*阀门参数化*设置为 "Kv 流量系数 "或 "Cv 流量系数 "时质量流量方程的更多信息，请参阅[2] 和[3] 。

如果*阀门参数化*设置为 "声导"，质量流量的定义为

其中

- 是参数 * 最大声导 * 的值；
- 是临界压力比；
- 次声指数*参数值；
- 参数值 ISO参考温度；
- ISO 参考密度*参数值；
- 入口温度。

当压力比超过*层流压力比*参数值时，可平稳过渡到使用线性化方程

当压力比低于临界压力比时，流量变为临界值，并使用方程。

有关*阀门参数化*参数设置为 "声导 "时质量流量方程的更多信息，请参阅[1] 。

当*阀门参数化*参数设置为 "基于几何形状的孔口面积 "时，质量流量的定义为

其中

- 是阀门的开启面积；
- 是 A 口和 B 口的*横截面积*值；
- 排放系数*的值；
- 绝热系数。

当压力比超过*层流压力比时，会平滑过渡到线性化方程。

当压力比低于时，流量就会达到临界值，此时可使用以下方程

有关*阀门参数化*参数设置为 "基于几何形状的孔口面积 "时质量流量方程的更多信息，请参见[4].

质量守恒

假设组件内部流体的体积和质量非常小，因此不考虑这些值。根据质量守恒原理，从一个端口进入的流体的质量流量等于从另一个端口流出的流体的流量：

其中定义为通过下标 A 或 B 指定的端口进入阀门的质量流量。

节能

模拟的组件是绝热的。流体和其周围的壁之间没有热传递。流体从入口流向出口时不做任何功。能量只能通过端口 A 和 B 的对流进行传递。根据能量守恒原理，端口中的能量通量总和始终为零：

其中是通过端口 A 或 B 流入阀门的能量。

假设和限制

阀门参数化*参数中的 "声导 "值适用于气动系统。如果该参数用于空气以外的气体，可能需要用相对密度的平方根来修正声导值。
对于非理想气体，"基于几何形状的孔口面积 "参数化方程的精度较低。
该模块不模拟超音速流动。

端口

非定向

# A — 气体入口
气体

Details

非定向端口，对应于阀口 A。

程序使用名称

port_a

# B — 气体出口
燃气

Details

非定向端口，对应于阀口 B。

程序使用名称

port_b

输入

# S — 阀门位置，rad
尺度

Details

决定开放程度的输入端口。端口 "0 "时完全关闭，"π/2 "时完全打开。

数据类型	Float64。
复数支持	无

参数

# Valve parameterization — 球阀参数化
Orifice area based on geometry | Cv flow coefficient | Kv flow coefficient | Sonic conductance

Details

质量流量计算方法基于

Cv 流量系数 - 流量系数；
Kv 流量系数 - 流量系数，其定义为：；
声导"--稳态声导；
基于几何形状的孔口面积"- 孔口面积。

值	`Orifice area based on geometry` \| `Cv flow coefficient` \| `Kv flow coefficient` \| `Sonic conductance`
默认值	`Orifice area based on geometry`
程序使用名称	`valve_parameterization`
可计算	无

# Opening characteristic — 能力类型特征
Area of overlapping circles | Tabulated data

Details

将 S 端口上的控制信号转换为所选带宽测量值的方法。

值	`Area of overlapping circles` \| `Tabulated data`
默认值	`Area of overlapping circles`
程序使用名称	`opening_characteristic`
可计算	无

# Discharge coefficient (Cd) — 流量系数

Details

校正系数是实际质量流量与通过阀门的理论质量流量之比。

依赖关系

要使用该参数，请将*阀门参数化*参数设置为 "基于几何形状的孔口面积"。

默认值	`0.64`
程序使用名称	`C_d`
可计算	是

# Area vector — 给定球体旋转时的面积向量
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

给定球旋转时的流动区域。矢量的每个元素都与 *球体旋转矢量 * 参数中的矢量元素相关。第一个元素对应阀门泄漏，必须不为零。

依赖关系

要使用该参数，请将*阀门参数化*设置为 "基于几何形状的孔口面积"，并将*开启特性*设置为 "制表数据"。

计量单位	`m^2` \| `cm^2` \| `ft^2` \| `in^2` \| `km^2` \| `mi^2` \| `mm^2` \| `um^2` \| `yd^2`
默认值	`[1e-10, 45.0, 90.0, 135.0, 180.0, 225.0, 270.0, 315.0, 360.0, 405.0, 450.0] mm^2`
程序使用名称	`area_vector`
可计算	是

# Maximum Cv flow coefficient — 与最大孔口面积相对应的流量系数

Details

当端口 S 的控制信号值为 "1 "且孔口面积最大时的流量系数值。

依赖关系

要使用该参数，请在*阀门参数化*中指定 "Cv 流量系数"，并在*开启特性*中指定 "重叠圆的面积"。

默认值	`4.0`
程序使用名称	`C_v_max`
可计算	是

# Cv flow coefficient vector — 流量系数矢量

Details

流量系数矢量。每个系数对应*球旋转矢量*中的一个元素。该参数用于测量气体在压差作用下通过阻力元件的程度。矢量的大小必须与*球旋转矢量*相同。

依赖关系

要使用此参数，请将 *阀门参数化 * 设置为 "Cv 流量系数"，并将 *开启特性 * 设置为 "制表数据"。

默认值	`[1e-6, 0.0725, 0.1437, 0.2375, 0.35, 0.5375, 0.875, 1.3125, 2.125, 3.25, 4.00]`
程序使用名称	`C_v_vector`
可计算	是

# Ball rotation vector — 球旋转
deg | rad | rev | mrad

Details

给定流量或面积时的球体旋转。该矢量的元素必须与*阀门流量系数（Cv）矢量*、*阀门流量系数（Kv）矢量*或*面积矢量*的元素相关。

依赖关系

要使用该参数，请将*开启特性*参数设置为 "制表"，并将*阀门参数化*参数设置为 "Cv 流量系数"。

计量单位	`deg` \| `rad` \| `rev` \| `mrad`
默认值	`pi / 2.0 * [0.0:0.1:1.0…] rad`
程序使用名称	`phi_vector_C_v`
可计算	是

# Maximum Kv flow coefficient — 与最大孔口面积相对应的流量系数

Details

当端口 S 的控制信号值为 "1 "且孔口面积最大时的流量系数值。

依赖关系

要使用该参数，请在*阀门参数化*中指定 "Kv 流量系数"，并在*开启特性*中指定 "重叠圆的面积"。

默认值	`3.6`
程序使用名称	`K_v_max`
可计算	是

# Kv flow coefficient vector — 流量系数矢量

Details

流量系数矢量。每个系数对应*球旋转矢量*中的一个元素。该参数用于测量气体在压差作用下通过阻力元件的程度。矢量的大小应与*球旋转矢量*相同。数值应按升序排列。

依赖关系

要使用该参数，请在*阀门参数化*中指定 "Kv 流量系数"，并在*开启特性*中指定 "制表数据"。

默认值	`[1e-6, 0.0653, 0.1293, 0.2137, 0.3150, 0.4838, 0.7875, 1.1813, 1.8381, 2.8112, 3.6]`
程序使用名称	`K_v_vector`
可计算	是

# Ball rotation vector — 球旋转
deg | rad | rev | mrad

Details

给定流量或面积下的球体旋转。该矢量的元素必须与*阀门流量系数（Cv）矢量*、*阀门流量系数（Kv）矢量*或*面积矢量*的元素相关。

依赖关系

要使用此参数，请在*开启特性*中指定 "制表"，在*阀门参数化*中指定 "Kv 流量系数"。

计量单位	`deg` \| `rad` \| `rev` \| `mrad`
默认值	`pi / 2.0 * [0.0:0.1:1.0…] rad`
程序使用名称	`phi_vector_K_v`
可计算	是

# xT pressure differential ratio factor at choked flow — 临界压差比

Details

入口压力与出口压力之间的比率，定义为，在此压力下流量达到临界值。如果不知道该值，可参见 ISA-75.01.01[3]中的表 2。默认值 0.7 适用于许多阀门。

依赖关系

要使用该参数，请将*阀门参数化*参数设置为 "Cv 流量系数"。

默认值	`0.7`
程序使用名称	`delta_p_ratio_C_v`
可计算	是

# xT pressure differential ratio factor at choked flow — 临界压差比

Details

入口压力与出口压力之间的比率，定义为，流量在此比率下达到临界。如果不知道该值，可参见 ISA-75.01.013 中的表 2。默认值 0.7 适用于许多阀门。

依赖关系

要使用该参数，请将*阀门参数化*参数设置为 "Kv 流量系数"。

默认值	`0.7`
程序使用名称	`delta_p_ratio_K_v`
可计算	是

# Maximum sonic conductance — 与最大孔径面积相对应的声导率
l/(bar*s) | gal/(min*psi) | m^3/(Pa*s)

Details

孔口截面积最大时的声导率值。

依赖关系

要使用此参数，请将*阀门参数化*设置为 "声导率"，并将*开启特性*设置为 "重叠圆的面积"。

计量单位	`l/(bars)` \| `gal/(minpsi)` \| `m^3/(Pa*s)`
默认值	`12.0 l/(bar*s)`
程序使用名称	`C_max`
可计算	是

# Critical pressure ratio — 临界压力比

Details

由当地声速决定的流量达到临界值和流速达到最大值时的压力比。出口压力与进口压力 : 之间的比率。

依赖关系

要使用此参数，请将*阀门参数化*设置为 "声导"，并将*开启特性*设置为 "重叠圆的面积"。

默认值	`0.3`
程序使用名称	`B_critical_linear`
可计算	是

# Sonic conductance vector — 声导率矢量
l/(bar*s) | gal/(min*psi) | m^3/(Pa*s)

Details

电阻元件内声导率值的矢量。必须以升序指定这些值。每个电导率对应*球旋转矢量*参数中的一个元素。矢量的维数与*球旋转矢量*的维数一致。

依赖关系

要使用该参数，请将*阀门参数化*设置为 "声导"，将*开启特性*设置为 "制表数据"。

计量单位	`l/(bars)` \| `gal/(minpsi)` \| `m^3/(Pa*s)`
默认值	`[1e-5, 0.2175, 0.4312, 0.7125, 1.05, 1.6125, 2.625, 3.9375, 6.375, 9.75, 12.0] l/(bar*s)`
程序使用名称	`C_vector`
可计算	是

# Critical pressure ratio vector — 临界压力比值矢量

Details

临界压力比向量。临界压力比是出口压力与进口压力之比，在此压力下，流量达到临界值，流速达到由当地声速决定的最大值。该矢量的维度与*球旋转矢量*的维度一致。

依赖关系

要使用该参数，请将*阀门参数化*设置为 "声导"，并将*开启特性*设置为 "制表数据"。

默认值	`0.3 * ones(11)`
程序使用名称	`B_critical_vector`
可计算	是

# Ball rotation vector — 球旋转
deg | rad | rev | mrad

Details

给定流量或面积下的球体旋转。该矢量的元素必须与*阀门流量系数（Cv）矢量*、*阀门流量系数（Kv）矢量*或*面积矢量*的元素相关。

依赖关系

要使用此参数，请为*开启特性*指定 "制表数据"，为*阀门参数化*指定 "声导"。

计量单位	`deg` \| `rad` \| `rev` \| `mrad`
默认值	`pi / 2.0 * [0.0:0.1:1.0…] rad`
程序使用名称	`phi_vector_C`
可计算	是

# Ball rotation vector — 球旋转
deg | rad | rev | mrad

Details

给定流量或面积下的球体旋转。该矢量的元素必须与*阀门流量系数（Cv）矢量*、*阀门流量系数（Kv）矢量*或*面积矢量*的元素相关。

依赖关系

要使用该参数，请将*开启特性*参数设置为 "制表"，并将*阀门参数化*参数设置为 "基于几何形状的孔口面积"。

计量单位	`deg` \| `rad` \| `rev` \| `mrad`
默认值	`pi / 2.0 * [0.0:0.1:1.0…] rad`
程序使用名称	`phi_vector_area`
可计算	是

# Subsonic index — 用于计算亚音速流动状态下质量流量的度值

Details

一个经验值，用于更精确地计算亚音速流动状态下的质量流量。

依赖关系

要使用该参数，请将*阀门参数化*参数设置为 "声导"。

默认值	`0.5`
程序使用名称	`m`
可计算	是

Details

ISO 8778 标准参考气氛中的温度。

只有在使用不同参考值获得的声导率值时，才需要调整 ISO 参考参数值。

依赖关系

要使用该参数，请将*阀门参数化*参数设置为 "声导"。

计量单位	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
默认值	`293.15 K`
程序使用名称	`T_reference`
可计算	是

# ISO reference density — 参考密度符合 ISO 8778 标准
g/cm^3 | kg/m^3 | lbm/gal

Details

ISO 8778 标准参考气氛中的密度。

只有在使用不同参考值获得的声导率值时，才需要调整 ISO 参考参数值。

依赖关系

要使用该参数，请将*阀门参数化*参数设置为 "声导"。

计量单位	`g/cm^3` \| `kg/m^3` \| `lbm/gal`
默认值	`1.185 kg/m^3`
程序使用名称	`rho_reference`
可计算	是

# Cross-sectional area at ports A and B — 入口或出口面积
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

该面积用于计算通过端口的质量流量。

所有端口的尺寸相同。该参数的值必须与设备所连接组件的入口端口面积相匹配。

计量单位	`m^2` \| `cm^2` \| `ft^2` \| `in^2` \| `km^2` \| `mi^2` \| `mm^2` \| `um^2` \| `yd^2`
默认值	`pi * (0.025 ^ 2) / 4.0 m^2`
程序使用名称	`port_area`
可计算	是

# Ball bore area — 球膛面积
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

阀门球孔的横截面积。

依赖关系

要使用该参数，请将*阀门参数化*设置为 "基于几何形状的孔口面积"，并将*开启特性*设置为 "重叠圆的面积"。

计量单位	`m^2` \| `cm^2` \| `ft^2` \| `in^2` \| `km^2` \| `mi^2` \| `mm^2` \| `um^2` \| `yd^2`
默认值	`pi * (0.02 ^ 2) / 4.0 m^2`
程序使用名称	`ball_bore_area`
可计算	是

# Leakage flow fraction — 成本率

Details

通过封闭孔口的流量与通过开放孔口的流量之比。

依赖关系

要使用该参数，请将*阀门参数化*设置为 "基于几何形状的孔口面积"，并将*开启特性*设置为 "重叠圆的面积"。

默认值	`1e-6`
程序使用名称	`leakage_fraction`
可计算	是

# Laminar flow pressure ratio — 气流在层流和湍流之间转换时的压力比

Details

气流在层流和湍流状态之间转换时的出口压力与进口压力之比。

典型值范围为 "0.995 "至 "0.999"。

默认值	`0.999`
程序使用名称	`B_laminar`
可计算	是

另请参见

ISO 6358-3，"气动流体动力 - 确定使用可压缩流体的部件的流速特性 - 第 3 部分：计算系统稳态流速特性的方法"，2014 年。
IEC 60534-2-3，"工业过程控制阀 - 第 2-3 部分：流量能力 - 测试程序"，2015 年。
ANSI/ISA-75.01.01，"工业过程控制阀 - 第 2-1 部分：流通能力 - 安装条件下流体流量的选型公式"，2012 年。
P. Beater，"Pneumatic Drives"，Springer-Verlag Berlin Heidelberg，2007 年。