一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法，具体是通过设计节流窗口面积和形状来改变套筒阀的流通能力和流量特性，可以在保证流量调节精度的情况下，构建具有流量特性曲面功能的组合式阀芯原理模型，从而获得以套筒阀为代表的阀门流量特性曲面图谱，根据特性曲面图谱，根据设计阀门的目标流量特性曲线，在流量特性曲面上选取特定点集，绘制拟合流量特性曲线，提取设计信息进而快速设计出节流窗口形状及型线。该方法基于数字化设计，避免了反复的理论公式与实验校核过程，并且改善了不规则形状节流窗口套筒阀数值模拟精度低问题，节约了时间，并且节省了人力物力的消耗。力的消耗。力的消耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法


[0001]本专利技术涉及套筒阀的数字化设计，尤其是涉及一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法。

技术介绍

[0002]阀门作为工业管道系统中的关键部件，对流量、压力、温度等参数起调节和控制作用，广泛应用于航天、军事、核能、电力等领域，被称为工业系统的“咽喉”。阀芯作为阀门的关键运动单元，对介质的流量、压力等参数起到了调节和控制作用，直接决定着阀门的调节精度和可调比等关键性能指标。随着大流量、高压差等极端工况在流程工业和液压系统中的不断涌现，目前我国阀门往往面临着调节精度低、可调比小等技术难题，这使得我国很多重大工程中的关键阀门都严重依赖进口，一旦出现该领域的“卡脖子”事件，我国很多重大工程项目将面临瘫痪的危险，对国家安全、社会稳定和经济发展构成重大威胁。
[0003]套筒阀稳定性好，可通过改变阀芯结构形式和节流窗口形状的影响阀内的流动状态，是应用较为广泛的一类调节阀。针对特定流量特性曲线设计要求，传统套筒阀阀芯设计过程复杂，且设计出的套筒阀调节精度较准确度低，因此，亟需一种高精度快速的套筒阀芯设计方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法，基于数字化设计，根据流量需求在流量特性曲面中快速选取一条特性曲线，得到节流窗口的形状，方便精准快速设计套筒阀。该方法基于数字化设计，避免了反复的理论公式与实验校核过程，节约了设计时间，且节省了人力物力消耗。
[0005]本专利技术采用的技术方案是：
[0006]本专利技术提供了一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法，步骤如下：
[0007]S1：根据原始套筒阀设计文件，通过三维建模软件，构建阀门实体模型；
[0008]S2：根据所述阀门实体模型，抽取出阀门内部流道模型；随后通过网格划分软件，将所述阀门内部流道模型离散为内部流道网格模型；
[0009]S3：利用计算流体力学软件，根据原始套筒阀设计文件，在所述内部流道网格模型中，对流体入口面设置压力入口边界条件、对流体出口面设置压力出口边界条件、对阀门内壁面设置无滑移壁面边界条件，并对所述内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性，得到内部流体网格模型；
[0010]S4：利用所述内部流体网格模型，通过计算流体力学软件，得到不同节流窗口下的阀内流动情况，以流量作为依据，得到阀内流量数值，从而计算出对应的流量系数；
[0011]S5：根据步骤S4计算得到的不同节流窗口下对应的流量系数，通过数值模拟得到不同节流窗口面积与长宽比下的流量特性曲线，再将所有所述流量特性曲线拟合成套筒阀的流量特性曲面；所述流量特性曲面的x轴为阀芯开度，y轴为外层套筒旋转的角度，z轴为
流量系数的大小；
[0012]S6：根据目标流量特性曲线，在所述流量特性曲面上选取一条拟合流量特性曲线，提取该拟合流量特性曲线上若干点对应的流量系数、阀芯开度和外层套筒旋转角度，根据等面积原则，计算目标套筒节流窗口的形状和面积；
[0013]S7：根据所述目标套筒节流窗口的形状、面积和原始套筒阀设计文件，设计得到满足所述目标流量特性曲线的套筒阀。
[0014]作为优选，所述步骤S1中，原始套筒阀设计文件包括套筒阀的组成信息和使用工况信息，组成信息包括套筒阀的结构、尺寸和材料属性，使用工况信息包括通入流体的物理性质、阀门出入口和入口处的边界条件。
[0015]作为优选，所述步骤S1中，构建阀门实体模型过程中的坐标系建立方法如下：
[0016]建立全局直角坐标系的原点位于套筒底面中心，XOZ面与阀门纵剖面重合；Z轴与套筒轴线重合，且其正方向指向套筒顶部；Y轴指向阀门出口；所述阀门纵剖面是阀门进口面中心点和出口面中心点的连线与套筒轴线所确定的平面。
[0017]作为优选，所述三维建模软件为Solidworks、Creo、Inventor、UG/NX、CATIA、ANSYS Workbench DesignModeler和ANSYS Workbench SpaceClaim中的一种。
[0018]作为优选，所述网格划分软件为ICEM CFD、HyperMesh、TGrid、PointWise、ANSA、GridPro、ANSYS Workbench Mesh、Fluent Meshing中的一种。
[0019]作为优选，所述计算流体力学软件为ANSYS Fluent、ANSYS CFX、STAR
‑
CD、STAR
‑
CCM、NUMECA、OpenFOAM中的一种。
[0020]作为优选，所述套筒阀的节流窗口形状为矩形，宽度为b，高度为h，外层套筒上共有4个节流窗口，节流窗口的最大面积为4bh；内层套筒上的节流窗口数量和形状与外层套筒的节流窗口完全一致；所有节流窗口关于阀门纵剖面对称布设；套筒阀的内层套筒固定，外层套筒能绕着套筒轴自由旋转，通过旋转角度可以控制矩形节流窗口的长度，从而改变节流窗口的面积，进而改变阀门的流量特性。
[0021]进一步的，不同节流窗口下对应的流量系数通过如下方法获得：
[0022]以阀塞高度和矩形节流窗口长宽比为变量，以阀门流量为应变量，选取n个套筒旋转角度作为变量，外层套筒的半径为R；以内外层套筒节流窗口完全重合作为起始状态，内外层套筒节流窗口完全错开作为终点状态；从起始状态到终点状态，外层套筒阀每转动(b/nR)角度，根据步骤S2～S4完成一次对套筒阀的计算，共得到n组不同节流窗口下对应的流量系数。
[0023]作为优选，所述步骤S5具体如下：
[0024]根据节流窗口特征参数对流量特性的作用机制，将所述流量特性曲线导入专业数学优化软件中，利用插值法和多数据点集成处理的方法，将所有所述流量特性曲线非线性拟合，得到一个光滑的曲面，实现流量特性曲面的获取。
[0025]进一步的，所述专业数学优化软件为MATLAB、Origin、1STOPT中的一种。
[0026]作为优选，所述步骤S6具体如下：
[0027]根据目标流量特性曲线特性，选取拟合流量特性曲线的k个开度下的点，提取拟合流量特性曲线上的关于k个点的阀芯高度、套筒旋转角度和流量系数；计算k个点对应的流通面积a1＝4bhx1y1、a2＝4bhx2y2……
a
k
＝4bhx
k
y
k
，分别以阀芯开度和节流窗口面积作为横
纵轴，将坐标轴上k个点通过平滑的曲线连接，作出二维流通面积
‑
阀芯开度的矩形面积曲线图；
[0028]根据拟合流量特性曲线上k个开度下的点，做出k个开度下的流通面积矩形；将开度区间为[x
l
‑1,x
l
]的节流窗口近似为矩形段，开度区间为[x
l
‑1,x
l
]的面积为a
l
‑
a
l...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法，其特征在于，步骤如下：S1：根据原始套筒阀设计文件，通过三维建模软件，构建阀门实体模型；S2：根据所述阀门实体模型，抽取出阀门内部流道模型；随后通过网格划分软件，将所述阀门内部流道模型离散为内部流道网格模型；S3：利用计算流体力学软件，根据原始套筒阀设计文件，在所述内部流道网格模型中，对流体入口面设置压力入口边界条件、对流体出口面设置压力出口边界条件、对阀门内壁面设置无滑移壁面边界条件，并对所述内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性，得到内部流体网格模型；S4：利用所述内部流体网格模型，通过计算流体力学软件，得到不同节流窗口下的阀内流动情况，以流量作为依据，得到阀内流量数值，从而计算出对应的流量系数；S5：根据步骤S4计算得到的不同节流窗口下对应的流量系数，通过数值模拟得到不同节流窗口面积与长宽比下的流量特性曲线，再将所有所述流量特性曲线拟合成套筒阀的流量特性曲面；所述流量特性曲面的x轴为阀芯开度，y轴为外层套筒旋转的角度，z轴为流量系数的大小；S6：根据目标流量特性曲线，在所述流量特性曲面上选取一条拟合流量特性曲线，提取该拟合流量特性曲线上若干点对应的流量系数、阀芯开度和外层套筒旋转角度，根据等面积原则，计算目标套筒节流窗口的形状和面积；S7：根据所述目标套筒节流窗口的形状、面积和原始套筒阀设计文件，设计得到满足所述目标流量特性曲线的套筒阀。2.根据权利要求1所述的套筒阀数字化设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，原始套筒阀设计文件包括套筒阀的组成信息和使用工况信息，组成信息包括套筒阀的结构、尺寸和材料属性，使用工况信息包括通入流体的物理性质、阀门出入口和入口处的边界条件。3.根据权利要求1所述的套筒阀数字化设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，构建阀门实体模型过程中的坐标系建立方法如下：建立全局直角坐标系的原点位于套筒底面中心，XOZ面与阀门纵剖面重合；Z轴与套筒轴线重合，且其正方向指向套筒顶部；Y轴指向阀门出口；所述阀门纵剖面是阀门进口面中心点和出口面中心点的连线与套筒轴线所确定的平面。4.根据权利要求1所述的套筒阀数字化设计方法，其特征在于，所述三维建模软件为Solidworks、Creo、Inventor、UG/NX、CATIA、ANSYS Workbench DesignModeler和ANSYS Workbench SpaceClaim中的一种。5.根据权利要求1所述的套筒阀数字化设计方法，其特征在于，所述网格划分软件为ICEM CFD、HyperMesh、TGrid、PointWise、ANSA、GridPro、ANSYS Workbench Mesh、Fluent Meshing中的一种。6.根据权利要求1所述的套筒阀数字化设计方法，其特征在于，所述计算流体力学软件为ANSYS Fluent、ANSYS CFX...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱锦远，聂家熙，罗宇轩，金志江，
申请(专利权)人：浙江大学温州研究院，
类型：发明
国别省市：