一种基于涡流分布的阀体结构优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于涡流分布的阀体结构优化方法，包括以下步骤：首先根据阀门的设计文件进行三维建模，建立完整的阀门实体模型，通过进行阀门的流道抽取，建立阀门内部流道模型；通过网格划分，通过数值模拟方法，利用计算流体力学软件进行阀内的流场计算；通过对计算结果的后处理，实现阀体流场的可视化，确定阀内的涡流分布；通过对阀体流道特征参数的量化定义和结构参数优化，达到消除涡流和提高流通能力的效果。本发明专利技术能够优化消除阀内涡流，增大阀门的流通能力，避免了繁琐复杂的理论计算与实验校正，大大简化了阀体的设计过程，为消除阀内涡流和提高阀门流通能力提供了新的思路。

【技术实现步骤摘要】
一种基于涡流分布的阀体结构优化方法
本专利技术属于工业阀门设计领域，具体涉及一种基于涡流分布的阀体结构优化方法。
技术介绍
阀门是管路流体输送系统中的控制部件，用来改变通路截断和介质流动方向，具有截止、导流、防止逆流、调节、稳压。分流或溢流泄压等功能。阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数值越大说明流体流过阀门时的压力损失越小。国外工业发达国家的阀门生产厂家大多把不同压力等级、不同类型和不同公称通径的流量系数值列入产品样本，供设计部门和使用单位选用。流量系数值随阀门的尺寸、形式、结构而变化，不同类型和不同规格的阀门都要分别进行试验，才能确定该种阀门的流量系数值。涡流是影响阀门流通能力和调节精度的关键参数，在阀门性能改善进程中一般通过消除涡流的存在来提高阀门的流通能力。在阀门的结构基本相似的前提下，通过消除阀内存在的涡流数量，提高阀门的流通能力，从而达到改善阀门性能的目的，这为阀体的结构改善设计提供了新的思路。数值模拟，又称为数值分析方法，是一种依靠计算机程序获得符合精度需要的数学模型近似解的方法。将数值模拟运用于阀门设计，一方面可以在理论计算中尽量减少简化和假设，从而使计算结果尽量贴近真实解，进行避免了反复试算与校正；另一方面，几乎不需要进行实验校正，从而节省了大量的经济成本。当前，虽然将数值模拟运用于阀门设计已有一定的基础，但是未有针对涡流分布的阀体结构优化方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决现有技术中的缺陷，并提供了一种基于涡流分布的阀体结构优化方法，通过改变流道特征系数，来改善阀内的流体流动，减小阀内涡流的数量，提高阀门的流通能力。本专利技术所采用的具体技术方案如下：本专利技术提供了一种基于涡流分布的阀体结构优化方法，具体如下：S1：根据阀门的设计文件，通过三维建模软件构建待优化结构阀门的三维结构模型，再根据所述三维结构模型建立阀门实体模型；根据所述阀门实体模型的内部流道，抽取出阀门内部流道模型；通过网格划分软件，将所述阀门内部流道模型离散为内部流道网格模型；根据所述设计文件，通过计算流体力学软件设置所述内部流道网格模型的进出口边界条件；同时，根据设计文件对所述内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性；S2：在S1的基础上，通过计算流体力学软件，选择相应的湍流模型并设置参数后进行计算；当计算收敛后，选择计算结果中的速度结果，以阀门的纵剖面为对象，绘制该纵剖面所在处的速度云图；根据所述速度云图绘制流线，并根据流线分布，确定速度云图上的涡流位置和数量；S3：根据S2中速度云图上的涡流位置和数量，择一执行S31或S32；S31：若S2中速度云图上没有涡流存在，则该阀体结构无需优化，结束优化过程；S32：若S2中速度云图上有涡流存在，则过每个所述涡流的中心点作与其距离最近阀体内壁面的垂直线；将所述垂直线与阀体内壁面的交汇点记为点A，与阀体中轴线的交汇点记为点B；将点A和点B之间构成的线段AB记为与涡流相关的流道特征系数RAB；S4：根据S32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面类型，择一执行S41～S45或S51～S54；S41：若S32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面为曲面，且其曲率中心点在阀体内部时，则将该阀体内壁面初始的流道特征系数记为RABi，其中i的初始值为1；通过三维建模软件将该阀体内壁面变为平面，此时的流道特征系数记为RABj，其中j的初始值为2；在该阀门结构的情况下重复S1～S2，判断当流道特征系数为RABj时的涡流是否消失；S42：若S41中的涡流消失，则结束优化过程；S43：若S41中的涡流未消失，则定义ΔRij＝RABi-RABj，并将S41中原来的流道特征系数RABj变为RABj+1＝RABj-ΔRij；在该阀门结构的情况下重复S1～S2，判断当流道特征系数为RABj+1时的涡流是否消失；S44：若S43中的涡流消失，则结束优化过程；S45：若S43中的涡流未消失，则对i和j均执行加1操作，重新根据S43的操作继续优化流道特征系数，直至涡流消失；S51：若S32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面为平面时，将该阀体内壁面初始的流道特征系数记为R’ABi，其中i的初始值为1；S52：将该流道特征系数变为R’ABi+1＝R’ABi-0.05R’ABi；在该阀门结构的情况下重复S1～S2，判断当流道特征系数为R’ABi+1时的涡流是否消失；S53：若S52中的涡流消失，则结束优化过程；S54：若S52中的涡流未消失，则对i执行加1操作，根据S52的操作继续优化流道特征系数，直至涡流消失。作为优选，所述S1中，当阀门的结构相对其纵剖面几何对称时，所述三维结构模型为完整的阀门模型或相对于纵剖面的1/2阀门模型；当阀门的结构相对其纵剖面几何不对称时，所述三维结构模型为完整的阀门模型；所述阀门的纵剖面为阀门进口面中心点和出口面中心点的连线与阀体中轴线所在的平面。进一步的，所述S1中，当三维结构模型为完整的阀门模型时，阀门内部流道模型为阀门内壁面、流体入口面与流体出口面包围成的三维几何空间结构；当三维结构模型为相对于纵剖面的1/2阀门模型时，阀门内部流道模型为阀门内壁面、流体入口面、流体出口面与阀门纵剖面包围成的三维几何空间结构；进一步的，所述阀门内壁面为阀门内部与流体的接触面；所述流体入口面为阀门内部流体流动空间与上游管道中流体流动空间的分隔面；所述流体出口面为套筒阀内部流体流动空间与下游管道中流体流动空间的分隔面。作为优选，所述S1中，进出口边界条件包括压力进口边界条件、压力出口边界条件、速度进口边界条件和速度出口边界条件中的一种或多种。进一步的，所述S1中，在赋予流体属性之前，若三维结构模型为完整的阀门模型时，将所述内部流道网格模型中阀门内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件；若三维结构模型为相对于纵剖面的1/2阀门模型时，将所述内部流道网格模型中阀门内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件，同时将阀门纵剖面所在处设置对称边界条件。作为优选，所述三维建模软件为Solidworks、Creo、Inventor、UG/NX、CATIA、ANSYSWorkbenchDesignModeler或ANSYSWorkbenchSpaceClaim中的一种。作为优选，所述网格划分软件为ICEMCFD、HyperMesh、TGrid、PointWise、ANSA、GridPro或ANSYSWorkbenchMesh中的一种。作为优选，所述计算流体力学软件为ANSYSFluent、ANSYSCFX、STAR-CD、STAR-CCM、NUMECA或OpenFOAM中的一种。作为优选，所述湍流模型为Spalart-Allmaras模型、Standardk-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型、Standardk-ω模型、BSLk-ω模型或SSTk-ω模型中的一种。本专利技术相对于现有技术而言，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于涡流分布的阀体结构优化方法，其特征在于，具体如下：/nS1：根据阀门的设计文件，通过三维建模软件构建待优化结构阀门的三维结构模型，再根据所述三维结构模型建立阀门实体模型；根据所述阀门实体模型的内部流道，抽取出阀门内部流道模型；通过网格划分软件，将所述阀门内部流道模型离散为内部流道网格模型；/n根据所述设计文件，通过计算流体力学软件设置所述内部流道网格模型的进出口边界条件；同时，根据设计文件对所述内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性；/nS2：在S1的基础上，通过计算流体力学软件，选择相应的湍流模型并设置参数后进行计算；当计算收敛后，选择计算结果中的速度结果，以阀门的纵剖面为对象，绘制该纵剖面所在处的速度云图；根据所述速度云图绘制流线，并根据流线分布，确定速度云图上的涡流位置和数量；/nS3：根据S2中速度云图上的涡流位置和数量，择一执行S31或S32；/nS31：若S2中速度云图上没有涡流存在，则该阀体结构无需优化，结束优化过程；/nS32：若S2中速度云图上有涡流存在，则过每个所述涡流的中心点作与其距离最近阀体内壁面的垂直线；将所述垂直线与阀体内壁面的交汇点记为点A，与阀体中轴线的交汇点记为点B；将点A和点B之间构成的线段AB记为与涡流相关的流道特征系数R...

【技术特征摘要】
1.一种基于涡流分布的阀体结构优化方法，其特征在于，具体如下：
S1：根据阀门的设计文件，通过三维建模软件构建待优化结构阀门的三维结构模型，再根据所述三维结构模型建立阀门实体模型；根据所述阀门实体模型的内部流道，抽取出阀门内部流道模型；通过网格划分软件，将所述阀门内部流道模型离散为内部流道网格模型；
根据所述设计文件，通过计算流体力学软件设置所述内部流道网格模型的进出口边界条件；同时，根据设计文件对所述内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性；
S2：在S1的基础上，通过计算流体力学软件，选择相应的湍流模型并设置参数后进行计算；当计算收敛后，选择计算结果中的速度结果，以阀门的纵剖面为对象，绘制该纵剖面所在处的速度云图；根据所述速度云图绘制流线，并根据流线分布，确定速度云图上的涡流位置和数量；
S3：根据S2中速度云图上的涡流位置和数量，择一执行S31或S32；
S31：若S2中速度云图上没有涡流存在，则该阀体结构无需优化，结束优化过程；
S32：若S2中速度云图上有涡流存在，则过每个所述涡流的中心点作与其距离最近阀体内壁面的垂直线；将所述垂直线与阀体内壁面的交汇点记为点A，与阀体中轴线的交汇点记为点B；将点A和点B之间构成的线段AB记为与涡流相关的流道特征系数RAB；
S4：根据S32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面类型，择一执行S41～S45或S51～S54；
S41：若S32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面为曲面，且其曲率中心点在阀体内部时，则将该阀体内壁面初始的流道特征系数记为RABi，其中i的初始值为1；通过三维建模软件将该阀体内壁面变为平面，此时的流道特征系数记为RABj，其中j的初始值为2；在该阀门结构的情况下重复S1～S2，判断当流道特征系数为RABj时的涡流是否消失；
S42：若S41中的涡流消失，则结束优化过程；
S43：若S41中的涡流未消失，则定义ΔRij＝RABi-RABj，并将S41中原来的流道特征系数RABj变为RABj+1＝RABj-ΔRij；在该阀门结构的情况下重复S1～S2，判断当流道特征系数为RABj+1时的涡流是否消失；
S44：若S43中的涡流消失，则结束优化过程；
S45：若S43中的涡流未消失，则对i和j均执行加1操作，重新根据S43的操作继续优化流道特征系数，直至涡流消失；
S51：若S32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面为平面时，将该阀体内壁面初始的流道特征系数记为R’ABi，其中i的初始值为1；
S52：将该流道特征系数变为R’ABi+1＝R’ABi-0.05R’ABi；在该阀门结构的情况下重复S1～S2，判断当流道特征系数为R’ABi+1时的涡流是否消失；
S53：若S52中的涡流消失，则结束优化过程；
S54：若S52中的涡流未消失，则对i执行加1操作，根据S52的操作继续优化流道特征系数，直至涡流消失。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱锦远，李文庆，姚怀宇，金志江，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33