一种基于CFD仿真的阀门流量系数便捷计算方法技术

本发明专利技术公开了一种阀门流量系数便捷计算方法，具体表现为运用CFD仿真方法结合线性拟合方法对阀门流量系数进行简便计算。主要步骤包括：基于阀门装配体三维模型，建立上游管道、阀门、下游管道的流场模型；对流场模型划分网格并优化模型网格；应用再优化网格设置边界条件进行仿真计算；对上游管道截取多个横截面采集平均压力值；根据轴向压力分布图确定线性拟合阶数，进行线性拟合；结合仿真计算结果中得到的带阀门管道的的总压差；使用阀门压差计算出阀门流量系数。相比于现有CFD仿真方法，本发明专利技术只需要一次建模就能计算出阀门流量系数，能极大简化计算步骤，降低计算量，准确预测各种类型阀门的流量系数，具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于CFD仿真的阀门流量系数便捷计算方法所属
本专利技术属于阀门流通能力计算领域，具体涉及一种运用CFD仿真方法结合线性拟合方法对阀门流量系数进行计算的便捷方法。
技术介绍
流量系数是与阀门能效相关的重要性能指标，评估阀门流量系数的有效方法对于阀门行业是极其重要的。当前，阀流量系数的评估通常通过理论估计或实验测量来进行。理论估计不能反映详细的阀门结构的影响，因此通常会导致计算精度下降。实验测量需要的时间和设备成本太高。特别是对于一些阀，其涉及特殊的尺寸或结构，难以通过实验测量它们的流量系数。此外，实验方法只能提供在几个预设位置数据限定，阀结构之间的相互作用和流动特性仍然未被研究透彻，因此很难根据实验结果来优化阀的设计。随着计算流体动力学的最新发展，可以模拟和可视化复杂的流场，帮助设计人员了解流场的更多细节。因此，基于CFD的数值仿真可以作为评估阀性能的实验方法的有效替代方法。目前已有的用于评估阀流量系数的CFD方法局限性如下：1、CFD模型主要是凭经验建立的，对于上游管道不够长的情况，流体在进入阀门部分之前，模拟流量可能无法完全展开，这违反了流量系数计算的基本要求，因此可能会导致重大错误；2、已有的计算阀门流量系数的CFD方法需要分别建立“全长度管道”模型和“管道-阀门”模型来对比求得阀门压差，计算量大，时间成本和设备成本高。本专利技术提出了一种新的CFD模拟方法，运用线性拟合方法实现对阀流量系数的简单而准确的评估。这种CFD方法可以广泛地应用于阀门工业中，在确保精度的同时对设备成本和时间成本的要求低，算法更简便，在降低操作难度的同时可以确保操作者之间的计算一致性。经检索，目前有关应用CFD仿真方法计算阀门流量系数的专利有CN201610005031.5，但是这篇专利主要依靠经验公式，需要对不同边界条件下的“阀门-管道”流场模型和对应“直管道”模型进行多组仿真运算，最后取流量系数平均值，这种方法建立的模型太多，对计算资源要求极高，况且也未考虑到CFD模型中的上游部分不够长，在进入阀部分之前，模拟流量无法完全展开的情况，有可能造成严重的计算错误。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服运用实验方法计算阀门流量系数成本高、对阀门尺寸规格有限制以及现有CFD仿真方法主要是凭经验建立，受限于操作人员专业程度出现的模型过长计算周期长、模型过短计算结果误差大、需要多次建模计算量大等问题，提出了一种基于CFD仿真的阀门流量系数便捷计算方法。此方法可以在阀门设计阶段起到指导作用，提高效率，节约资源，提高仿真精度，降低了对操作人员专业程度的要求，可以广泛应用到工业界。本专利技术具体实现步骤如下：（1）基于阀门装配体三维模型，抽取上游管道、阀门、下游管道的流场模型，上游部分管道长度为实验方法中管道公称直径的15~45倍；（2）对流场模型进行网格划分，考虑工况要求的流动边界条件，结合多次网格自适应操作，得到一组再优化网格；（3）使用步骤（2）中的再优化网格，设置边界条件，进行仿真计算，仿真计算的壁面设置为无滑移壁面，近壁面则设置为标准壁面函数方法，湍流模型设置为标准k-ε湍流模型，求解器设置为基于压力的稳态求解器，并采用SIMPLE算法对流场进行数值求解；（4）在步骤（3）中所得的仿真计算结果中选取上游管道流场不同横截面，选取的最靠近阀门的横截面应该与阀门保持2倍公称直径的距离，且选取的横截面数目应该大于6个，按照到入口处轴向距离由近到远，依次标记为i=1,2,...,n，根据不同横截面上的平均压力值，建立轴向压力分布图；（5）根据轴向压力分布图的数据点分布，使用线性拟合得到一组“仅有全长度管道”的假设情况下的进出口压差，即“全长度管道压差”，采用的线性拟合的公式为，式中，xi为第i个横截面到入口的轴向距离，a、b为系数，Pi为第i个横截面上的平均压力值（单位：kpa），ε为残差值。其中，获取所述系数a、b所采用的公式为：式中，x为所有选取的横截面到入口的轴向距离的算术平均值，p为所有选取横截面平均压力值的算术平均值（单位：kpa）；残差值ε在根据已知数据点确定了拟合曲线后不再代入拟合部分的压力值中，而仅作为计算误差。对于精度要求高的仿真设计，可以增加选取的横截面数目，有助于提高精度。残差值的大小取决于已知点与拟合直线的最小平方差，控制公式为：（6）从步骤（3）中仿真计算结果提取整体流场的进出口总压差，与步骤（5）得到的“全长度管道压差”相减计算出阀门压差，计算阀门压差Pf所采用的公式为，式中，Po为对阀门装配体的整体流场模型仿真得到的进出口总压差（单位：kpa），∆P为线性拟合计算出的“全长度管道”的进出口压差（单位：kpa）；（7）根据步骤（6）输出的阀门压差，计算流量系数所采用的公式为，式中，Q为流量（单位：m3/h），Pf为阀门压差（单位：kpa），G是工作流体的比重。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：（1）相比于实验方法测量阀门流量系数，本专利技术所述方法能够在设计初期准确预测阀门的流通能力，而且能够提供远比实验更加丰富的流场细节信息，向设计人向直观地展示阀门结构对流场的影响，因此可以在阀门的设计阶段起到很好的指导作用，缩短研发周期，节约成本，避免人力物力的浪费；（2）相比于现有应用CFD仿真对阀门流通能力进行检测的方法，本专利技术通过线性拟合方法，只需要一次建模计算，节省了计算资源，避免了建立多组“仅管道”和“阀门-管道”模型做对比带来高昂的时间成本，本专利技术方法的耗费极小，有利于在工业界普遍推广；（3）相比于现有应用CFD仿真对阀门流通能力进行检测的方法，本专利技术运用的线性拟合方法，解决了CFD建模中上游管道过短，出现模拟流量在进入阀部分之前无法完全展开从而引起严重错误的问题。附图说明图1是本专利技术所述流量系数计算方法流程图；图2是DN线蝶阀装配体模型图；图3是“阀门-管道”流场模型图；图4是轴向压力分布图；图5是线性拟合后的轴向压力分布图。具体实施方式本实施例的操作过程如下：（1）基于阀门装配体三维模型，抽取上游管道、阀门、下游管道的流场模型；以DN500中心蝶阀为例，利用Solidworks建立装配体模型如图2，对此模型中的倒圆、倒角和螺纹孔等细小结构进行简化后在进出口分别连接21倍公称直径长度的上游管道和10倍公称直径长度的下游管道；然后抽取上游管道、阀门、下游管道结合的“阀门-管道”流场模型，如图3，对流场模型进行对称剖分以节约计算资源；（2）对流场模型进行网格划分，考虑工况要求的流动边界条件，结合多次网格自适应操作，得到一组再优化网格；利用ANSYSICEMCFD前处理软件将“阀门-管道”流场模型划分为混合网格，对上下游管道网格设置为六面体网格，阀门网格设置为四面体网格。对网格使用速度梯度自适应和Y+自适应进行优化。对于流场模型，仅使用一次速度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CFD仿真的阀门流量系数便捷计算方法，其特征在于，运用线性拟合方法根据上游管道流场数据拟合出“全长度管道压差”，与带阀门的整体流场模型的总压差求差值得到阀门压差，只需一次建模求出流量系数，减少计算工作量和上游管道不够长对结果的不良影响，提高仿真精度，包括以下步骤：/n（1）基于阀门装配体三维模型，抽取上游管道、阀门、下游管道的流场模型，上游部分管道长度为实验方法中管道公称直径的15~45倍；/n（2）对流场模型进行网格划分，考虑工况要求的流动边界条件，结合多次网格自适应操作，得到一组再优化网格；/n（3）使用步骤（2）中的再优化网格，设置边界条件，进行仿真计算，仿真计算的壁面设置为无滑移壁面，近壁面则设置为标准壁面函数方法，湍流模型设置为标准

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD仿真的阀门流量系数便捷计算方法，其特征在于，运用线性拟合方法根据上游管道流场数据拟合出“全长度管道压差”，与带阀门的整体流场模型的总压差求差值得到阀门压差，只需一次建模求出流量系数，减少计算工作量和上游管道不够长对结果的不良影响，提高仿真精度，包括以下步骤：
（1）基于阀门装配体三维模型，抽取上游管道、阀门、下游管道的流场模型，上游部分管道长度为实验方法中管道公称直径的15~45倍；
（2）对流场模型进行网格划分，考虑工况要求的流动边界条件，结合多次网格自适应操作，得到一组再优化网格；
（3）使用步骤（2）中的再优化网格，设置边界条件，进行仿真计算，仿真计算的壁面设置为无滑移壁面，近壁面则设置为标准壁面函数方法，湍流模型设置为标准k-ε湍流模型，求解器设置为基于压力的稳态求解器，并采用SIMPLE算法对流场进行数值求解；
（4）在步骤（3）中所得的仿真计算结果中选取上游管道流场不同横截面，选取的最靠近阀门的横截面应该与阀门保持2倍公称直径的距离，且选取的横截面数目应该大于6个，按照到入口处轴向距离由近到远，依次标记为i=1,2,...,n，根据不同横截面上的平均压力值，建立轴向压力分布图；
（5）根据轴向压力分布图的数据点分布，使用线性拟合得到一组“仅有全长度管道”的假设情况下的进出...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓明，刘浩，陈林，
申请(专利权)人：江苏神通阀门股份有限公司，电子科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32