CN103729505B - 一种基于cfd的阀门当量长度计算方法 - Google Patents

Abstract

一种基于CFD的阀门当量长度计算方法，包括以下步骤：建立阀门的三维装配体模型，在阀体模型进出口处加延长段后，将其导入CFD软件，利用CFD软件模拟计算出多个工况的压力值并计算出相应的压力差值；根据所述压力差值，通过公式分别计算出多个流量系数值，再计算出平均流量系数值；再通过公式计算出阀门的当量长度值；本方法采用CFD技术仿真模拟来得到阀门的流通性能数据，只需要在开发初期虚拟样机阶段使用图纸就可以完成，避免了现有技术中为了检测阀门的流通性能，必须将阀门制造出来并进行试验测量，造成浪费人力物力，还延长了研发周期，所以本方法大大提高了开发效率，节约了成本。

Description

一种基于CFD的阀门当量长度计算方法

技术领域

本发明涉及一种阀门流通能力的计算方法，具体地说为一种基于CFD的阀门当量长度计算方法。

背景技术

阀门的当量长度（L/D）是衡量阀门流通能力的一个重要参数，用来表征流体通过阀门时的压力损失，其数值越小说明流体通过阀门的压力损失越小，阀门的流通能力就越好。

但是目前，阀门的当量长度（L/D）计算主要还利用流阻试验方法，如中国专利文献CN103076048A中公开了一种阀门流量的测量方法，包括以下步骤：A、测量流量系数：测量阀门在各个开度时的流量系数，将各个开度时的流量系数记录；B、测量压差：测量阀门前、后端的压差；C、计算流量：利用公式计算流量，Q为当前阀门开度的阀门流量、KV为当前阀门开度的流量系数、ΔP为当前阀门开度的阀门前端与后端之间的压差。该方法中所述的步骤B中采用普通的测压仪对阀门的前端和后端分别进行测量，得到阀门前、后端的压差。它解决了现有流量测量装置适用性不高、无法适用于阀门的流量测量的问题。

这种方法主要是依据传统经验或简单公式进行图纸设计后，随即生产出样机进行流阻试验，获得阀门进出口的压力差，然后通过公式进行当量长度的计算；这种方法无法在设计初期即样机生产之前获得当量长度值，试制样机进行流阻试验后，才能发现所设计样机是否满足阀门流通性能要求，当不能满足要求时，必须重新设计修改，试制更新零件，再装配样机重复试验，从而带来后期的试验成本增加，浪费大量的人力物力；同时，阀门的类型、结构型式和尺寸各异，品种繁多，通过试验方法对每一规格阀门进行测量计算，这样无形之间增长了产品的开发周期，增加了开发成本，降低了企业的市场竞争力。

随着计算机模拟技术的发展，阀门的流通能力已经可以通过CFD软件来模拟计算，CFD软件(Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学,简称CFD，它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。

发明内容

为此，本发明解决现有技术中采用试验方法计算阀门当量长度，效率低造成的开发周期长和开发成本高的问题，从而提出一种基于CFD的阀门当量长度计算方法，在设计初期通过CFD模拟计算方法计算阀门当量长度，提高开发效率，节约成本。

为解决上述技术问题，本发明的一种基于CFD的阀门当量长度计算方法采用以下方案：

一种基于CFD的阀门当量长度计算方法，包括以下步骤：

（1）建立阀门的三维装配体模型，并在阀体进出口处加延长段；

（2）将三维装配体模型导入CFD软件，生成流道模型，进行网格划分，在流道模型进口设置多个体积流量边界条件，出口压力设置为0，分别模拟计算出相应的多个进口的压力值，并计算出相应的多个进出口压力差值；

（3）根据所述压力差值，通过公式分别计算出多个流量系数值，再计算出平均流量系数值；

（4）根据前面计算所得的平均流量系数值，通过公式计算出阀门的当量长度值。

所述步骤（1）具体为：进口前加长度为3-5倍流道直径的延长段，出口后加长度为6-10倍流道直径的延长段。

在所述步骤（1）中还包括建立阀门的三维装配体模型时，除去不影响流道生成且与流体介质不直接接触的部件和不影响计算结果的细小零部件，仅建立流道封闭的三维模型。

所述步骤（2）还包括，设置体积流量边界条件时，对应的进口体积流量值依据具体的阀门的公称通径在相应的范围内等差选取。

设置体积流量边界条件时，要保证入口流速在速度为3-8m/s，保证产生完全紊流，最小雷诺数不小于4×10⁴。

所述步骤（2）具体为:设置体积流量边界条件时，设置三到七种工况。

所述步骤（2）中模拟计算出相应的压力值并计算出压力差值的步骤具体为：在CFD软件中，将流体设定为不可压缩流体，选取κ-ε湍流模型，将分析方式设定为稳态分析，利用自动收敛准则决定迭代终止，求解步数设为1000次，然后对多个工况分别进行求解，获得流体速度及压力分布云图，通过数据提取获得对应于每个工况的阀门进出口压力差值。

所述步骤（3）具体为：依据压力差值采用以下公式计算出流量系数值C_V，

$C_V=1.167\×10\×Q\×\sqrt{\mathrm{\ρ}/\mathrm{\ΔP}},$

其中：Q为体积流量，单位m³/h；ρ为水的相对密度（取ρ=1）；ΔP为压力差值；

再计算出多个工况的流量系数值C_V的平均流量系数值C_Vavg

所述步骤（4）具体为：依据以下公式计算出阀门的当量长度L/D，L/D＝2.175×10^-3×d⁴/(f_T·C_Vavg)，

其中：C_Vavg为平均流量系数值，d为阀门压力等级对应规格管道的内径，f_T为Schedule40洁净钢管在完全紊流下的摩擦阻力系数，L/D为阀门当量长度。

还包括由计算所得的当量长度值与技术要求的限值进行比较，当计算所得当量长度大于限值时，则根据流体分析结果进行流道优化设计，再重复上述步骤进行当量长度计算，直到得出不大于限值的当量长度值。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

（1）本发明所述的一种基于CFD的阀门当量长度计算方法，包括以下步骤：建立阀门的三维装配体模型，并在阀体进出口处加延长段；将三维装配体模型导入CFD软件，生成流道模型，进行网格划分，在流道模型进口设置多个体积流量边界条件，出口压力设置为0，分别模拟计算出相应的压力值并计算出多个压力差值；根据所述压力差值，通过公式分别计算出多个流量系数值，再计算出平均流量系数值；根据前面计算所得的平均流量系数值，计算出阀门的当量长度值；本方法采用CFD技术仿真模拟的方式来得到阀门的数据，通过多次模拟不同流量环境，获得一个相对准确的流量系数值，然后通过公式即可计算得到当量长度值；此方法只需要在开发初期使用图纸就可以完成，避免了现有技术中为了检测阀门的流通性能，必须将阀门制造出来并进行测量，造成浪费人力物力，还延长了研发周期，所以本方法大大提高了开发效率，节约成本。

（2）本发明所述的一种基于CFD的阀门当量长度计算方法，进口前加长度为3-5倍流道直径的延长段，出口后加长度为6-10倍流道直径的延长段；所加的延长段能让流体介质得到充分发展，测点能够达到稳定的状态，并使计算稳定。

（3）本发明所述的一种基于CFD的阀门当量长度计算方法，还包括建立阀门的三维装配体模型时，除去不影响流道生成且与流体介质不直接接触的部件和不影响计算结果的细小零部件，仅建立流道封闭的三维模型，除去这些不必要的部件以避免给测量带来影响，可以提高测量精度，并且能够简化分析过程。

（4）本发明所述的一种基于CFD的阀门当量长度计算方法，还包括由计算所得的当量长度值与技术要求的限值进行比较，当计算所得当量长度大于限值时，则根据流体分析结果进行流道优化设计，再重复上述步骤进行当量长度计算，直到得出不大于限值的当量长度值为止，可以判断阀门的流通性能是否满足设计要求，预测潜在的风险，并可根据结果进行优化设计，这样不但能减少样机试制成本和节省样机试验的成本，而且能缩短产品的开发周期。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明所述的一种基于CFD的阀门当量长度计算方法的流程图；

图2是本发明一个具体实施例的流道图；

图3是本发明一个具体实施例的三维装配体模型图；

图4是本发明一个具体实施例的处理后的三维模型图；

图5是本发明一个具体实施例中的工况二的流速分布云图；

图6是本发明一个具体实施例中的工况二的压力分布云图。

具体实施方式

下面提供本发明所述的一种基于CFD的阀门当量长度计算方法的具体实施方式。

实施例1

本发明所述的一种基于CFD的阀门当量长度计算方法，如图1所示，包括以下步骤：建立阀门的三维装配体模型，本方法优选的采用三维软件SolidWorks建立阀门的三维装配体模型，如图2为一具体实施例的阀门三维装配体模型；为简化分析计算过程，在不影响分析结果的前提下，除去不影响流道生成且与流体介质不直接接触的部件，以及不影响计算结果的细小零部件，仅建立流道封闭的三维模型。同时为了让流体介质得到充分发展，测点能够达到稳定的状态，并使计算稳定，需要在阀体进出口处加延长段，进口前加长度为3倍流道直径的延长段，出口后加长度为6倍流道直径的延长段，作为其他可以变换的实施方式，进口前端还可以选择3-5倍的延长段，出口后还可以选择6-10倍的延长段，最后形成的用于建立流道的三维模型保存为*.x_t文件，模型如图3所示。

将上述用于建立流道的三维模型导入CFD软件CFDesign，生成流道模型，进行自动网格划分，Size Adjustment设置为0.75，边界层数设置为4；在流道模型进口设置多个体积流量边界条件，对应的进口体积流量值应在一定范围内等差选取，如设置3个，具体应用中根据依据阀门的公称通径不同来选取，如下面表格所示。

出口压力设置为0，分别模拟计算出每种条件下相应的压力，然后计算出多个压力差值；根据所述压力差值，通过公式分别计算出多个流量系数值，再计算出平均流量系数值；

根据前面计算所得的平均流量系数值，计算出阀门的当量长度值；本方法采用CFD软件仿真模拟的方式来得到阀门的流量及压差数据，并计算得到当量长度，只需要在开发初期使用图纸就可以完成，避免了现有技术中为了检测阀门的流通性能，必须将阀门制造出来并进行测量，造成浪费人力物力，还延长了研发周期，所以本方法大大提高了开发效率，节约成本。

实施例2

在实施例1所述的一种基于CFD的阀门当量长度计算方法的基础上，设置体积流量边界条件时，保证入口流速在合理的速度3-8m/s范围内，同时要保证产生完全紊流，最小雷诺数不小于4×10⁴，出口压力设置为0；对于公称通径DN25的截止阀，设置体积流量边界条件时，对应的进口体积流量值在4-12m3/h中等差选取5个值，得到五种工况：

计算工况一：进口面设置体积流量Q1=4m3/h；出口面设置压力P=0；

计算工况二：进口面设置体积流量Q2=6m3/h；出口面设置压力P=0；

计算工况三：进口面设置体积流量Q3=8m3/h；出口面设置压力P=0；

计算工况四：进口面设置体积流量Q3=10m3/h；出口面设置压力P=0；

计算工况五：进口面设置体积流量Q3=12m3/h；出口面设置压力P=0；

将流体设定为不可压流体，采用κ-ε湍流模型，分析方式为稳态分析。为了让迭代充分进行，利用自动收敛准则(Automatic Convergence Assessment)来决定迭代终止，求解步数设为1000次。然后对5个工况分别进行求解，作为其他可以变换的实施方式，计算工况也可以选取3-7个工况。

根据前面的CFD模拟计算，可获得各工况的流体速度及压力分布云图，图5和图6分别为工况二的流体速度及压力分布云图，然后从CFD程序中提取*.sum后缀的结果文件，该结果文件中有对应每个计算工况的阀门进口压力值，因为出口压力P设置为0，从而获得进出口压力差值。再通过下面计算公式可获得五个工况的五个流量系数值，要保证各工况的流量系数值在某一数值上下浮动，否则改变进口流量重新计算；然后计算阀门流量系数的算术平均值C_Vavg，此平均值作为阀门的流量系数值，计算结果如下表所示。

流量系数Cv计算公式：

$C_V=1.167\×10\×Q\×\sqrt{\mathrm{\ρ}/\mathrm{\ΔP}}$

其中：Q为体积流量，单位m³/h；ρ为水的相对密度（取ρ=1）；

ΔP为压差，单位kPa；

阀门流量系数计算结果表

根据前面多个工况的流量系数值C_V的算术平均值C_Vavg=13.2，由下面计算公式计算阀门的当量长度。

L/D＝2.175×10^-3×d⁴/(f_T·C_Vavg)＝2.175×10^-3×(26.64)⁴/(0.023×13.2²)＝275

其中：C_Vavg为阀门平均流量系数，d为阀门压力等级对应规格管道的内径，d=26.64mm；f_T为Schedule40洁净钢管在完全紊流下的摩擦阻力系数，无量纲，可根据阀门的公称通径通过查下表获得,f_T=0.023

实施例3

在以上实施例中，实现了基于CFD的阀门当量长度计算方法，在阀门设计初期，处于虚拟样机阶段，当计算出该当量长度后，还需要进一步判断该当量长度是否满足要求，如果满足要求，则按照之前的设计进行研制生产，如果不满足要求，则需要进行流道结构优化。具体实现方式为：将计算所得的当量长度值与技术要求的限值进行比较，根据相关技术要求，此处的限值是根据不同阀门类型来限定，如截止阀、止回阀的限值要求为340，上述实施例2中的通径DN25的截止阀的当量长度计算出为275，该数值明显小于截止阀的限值要求340，因此可以得出该截止阀的流通性能达到要求，不需要再进行流道优化设计，满足生产的需要，可以进行生产。实际应用中还有其他一些常用阀门的限定值，如旋启式止回阀的限值为135，蝶阀：当通径为50-200mm时，限值为45，当通径为250-350mm时，限值为35。

当计算所得的当量长度大于某限值时，则根据流体分析结果进行流道优化设计，再重复上述步骤进行当量长度计算，直到得出不大于限值的当量长度值，可以判断阀门的流通性能是否满足设计要求，预测潜在的风险，并可根据结果进行优化设计，这样不但能减少样机试制成本和节省样机试验的成本，而且能缩短产品的开发周期。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种基于CFD的阀门当量长度计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立阀门的三维装配体模型，并在阀体进出口处加延长段；

(2)将三维装配体模型导入CFD软件，生成流道模型，进行网格划分，在流道模型进口设置多个体积流量边界条件，出口压力设置为0，分别模拟计算出相应的多个进口的压力值，并计算出相应的多个进出口压力差值；

(3)根据所述压力差值，通过公式分别计算出多个流量系数值，再计算出平均流量系数值；

(4)根据前面计算所得的平均流量系数值，通过公式计算出阀门的当量长度值，所述步骤(4)具体为：依据以下公式计算出阀门的当量长度L/D，L/D＝2.175×10^-3×d⁴/(f_T·C_Vavg)，

其中：C_Vavg为平均流量系数值，d为阀门压力等级对应规格管道的内径，f_T为Schedule40洁净钢管在完全紊流下的摩擦阻力系数，L/D为阀门当量长度。

2.根据权利要求1所述的基于CFD的阀门当量长度计算方法，其特征在于，所述步骤(1)具体为：进口前加长度为3-5倍流道直径的延长段，出口后加长度为6-10倍流道直径的延长段。

3.根据权利要求1或2所述的基于CFD的阀门当量长度计算方法，其特征在于，在所述步骤(1)中还包括建立阀门的三维装配体模型时，除去不影响流道生成且与流体介质不直接接触的部件和不影响计算结果的细小零部件，仅建立流道封闭的三维模型。

4.根据权利要求3所述的基于CFD的阀门当量长度计算方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括，设置体积流量边界条件时，对应的进口体积流量值依据具体的阀门的公称通径在相应的范围内等差选取。

5.根据权利要求4所述的基于CFD的阀门当量长度计算方法，其特征在于，设置体积流量边界条件时，要保证入口流速在速度为3-8m/s，保证产生完全紊流，最小雷诺数不小于4×10⁴。

6.根据权利要求5所述的基于CFD的阀门当量长度计算方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为:设置体积流量边界条件时，设置三到七种工况。

7.根据权利要求6所述的基于CFD的阀门当量长度计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中模拟计算出相应的压力值并计算出压力差值的步骤具体为：在CFD软件中，将流体设定为不可压缩流体，选取κ-ε湍流模型，将分析方式设定为稳态分析，利用自动收敛准则决定迭代终止，求解步数设为1000次，然后对多个工况分别进行求解，获得流体速度及压力分布云图，通过数据提取获得对应于每个工况的阀门进出口压力差值。

8.根据权利要求7所述的基于CFD的阀门当量长度计算方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：依据压力差值采用以下公式计算出流量系数值CV，

$C_V=1.167\×10\×Q\×\sqrt{\mathrm{\ρ}/\mathrm{\Δ}P},$

其中：Q为体积流量，单位m³/h；ρ为水的相对密度，取ρ＝1；ΔP为压力差值；

再计算出多个工况的流量系数值CV的平均流量系数值C_Vavg。

9.根据权利要求4-7任一项所述的基于CFD的阀门当量长度计算方法，其特征在于，还包括由计算所得的当量长度值与技术要求的限值进行比较，当计算所得当量长度大于限值时，则根据流体分析结果进行流道优化设计，再重复上述步骤进行当量长度计算，直到得出不大于限值的当量长度值为止。