CN105677964B - 一种基于cfd仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于CFD仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法，主要步骤包括：基于阀门装配体三维模型，抽取“阀门‑管道”流场模型和“直管道”流场模型；对流场模型划分初始网格，其中对“阀门‑管道”模型划分多组不同规模的初始网格；分别应用各组初始网格进行试运算，比较所得的压差随网格规模的变化趋势，以选取最优初始网格；应用最优初始网格设置不同边界条件，并结合网格自适应技术仿真计算相应的流量系数；最终将所得流量系数取算数平均，作为该阀门流量系数的预测结果。本发明可更加快速、灵活地预测各种条件下阀门的流通能力，缩短研发周期，提高设计质量，而且能有效地提高计算精度，减小对操作人员专业程度的依赖。
Description
所属技术领域
本发明涉及到计算阀门流通能力的领域，具体表现为应用CFD与网格自适应相结合的方法计算阀门流量系数。
背景技术
阀门的流量系数是指单位时间内，在保持恒定的压力条件下管道内介质流经阀门的总流量。流量系数反映了阀门的流通能力和节能环保性能，是阀门重要的工艺参数和技术指标。目前国内的很多阀门生产厂家以实验方法测得的流量系数作为标准衡量阀门的流通能力，但是实验成本高，周期长，耗费大量的人力物力。
随着计算机技术和计算流体动力学（ComputationalFluidDynamics, CFD）的发展，基于CFD的数值仿真可以准确、快速而且可视化地反映复杂流场的细节特征。运用CFD方法进行阀门流通能力的分析将是现有实验方法的有效补充，同时也有助于设计人员了解阀门结构对内部流场的影响规律。
计算规模大、精度要求高是阀门CFD仿真的两大主要特点。众所周知，网格是影响CFD仿真精度和计算效率的重要因素。随着网格数量的增加，结果精度一般也会提高，但是计算时间也会随之增加，所以在划分网格时需要综合考虑精度和效率两个方面。在阀门内流场的CFD仿真中，通常需要对模型的不同局部设置不同的网格密度，并进行大量手工加密处理。这些经验性的设置和处理不仅工作量较大，而且会对计算结果产生较大的影响，导致计算精度存在一定的不确定性，限制了CFD方法在阀门制造行业的推广应用。
本发明旨在利用网格自适应技术对阀门流场中敏感的区域进行有针对性的自动加密，从而提高仿真精度。该方法相比人工调整流场网格更加简单易行，而且对操作者的专业程度依赖性不高，有利于在工业界推广应用。
经检索，目前有关应用CFD仿真方法衡量阀门流通能力的申报专利有CN103729505A，这篇专利提出了基于CFD仿真的阀门当量长度计算方法。但是这篇专利只是利用通用的方法求解阀门两端的压差，进而计算得到阀门当量长度，并没有考虑到网格对仿真精度的影响，更未提到应用网格自适应的方法降低人工优化网格的难度和工作量。
发明内容
本发明的目的在于克服运用实验方法计算阀门流量系数成本高、周期长、对阀门尺寸规格有限制以及现有CFD仿真方法人工加密网格、计算精度受限于操作人员专业程度等问题，提出了一种基于CFD仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法。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，大大的提高仿真精度，降低了人工加密网格的工作量和难度。
实现本发明目的的技术方案为：
利用三维软件建立阀门的装配体模型，并且抽取“阀门-管道”流场模型和“直管道”流场模型，对两个模型分别进行混合网格和结构化网格划分，然后利用商用CFD软件FLUENT在多种不同边界条件下结合网格自适应技术进行仿真计算，得到模型进出口的压差值，再通过公式计算得到阀门的流量系数。
为提高计算精度，降低了人工加密网格的工作量和难度，本发明在仿真过程中采用以下自适应操作：
（1）先利用FLUENT软件对初始网格进行试运算；
（2）进行第一次网格自适应，包括y+自适应和速度梯度自适应，其中在y+自适应中根据y+取值范围设置粗化阀值和加密阀值，在速度梯度自适应中选取的自适应方法为Gradient，标准化方式为Standard，根据自适应函数等值线云图确定速度梯度变化较大区域，得到加密阀值；
（3）若前一次计算结果的y+值不满足30<y+<300范围，则继续采用y+自适应对近壁面网格进行不同次数的优化。
由于自适应后网格会大量增加，故选取y+的取值范围要根据流场模型的大小和计算机性能综合考虑，一般在工程应用中y+值的取值范围不应超出30<y+<300，若模型比较小，计算机性能又足够高，使11.5<y+<60，则可以获得更高的仿真精度。
本发明具体实现步骤如下：
步骤（1）：建立流场模型和网格划分
建立阀门装配体三维模型，并且分别在阀门进、出口连接5倍公称直径和10倍公称直径长度的上、下游管道，抽取“阀门-管道”流场模型，并建立15倍公称直径长度的“直管道”流场模型。
对“阀门-管道”流场模型进行多种不同规模的混合网格划分，即两边管道区域划分为结构网格，中间阀门区域划分为非结构网格；将“直管道”流场模型全部划分为结构网格。这种划分网格的方式可以获得质量更高的初始网格。
步骤（2）：判断最优初始网格
针对“阀门-管道”流场模型，分别应用不同规模的初始网格进行仿真试运算，并分析所得的“阀门-管道”模型进出口压差随网格规模的变化趋势，当在某初始网格基础上网格数量增加10%而计算所得的压差变化量不超过1.5%时，将该初始网格选取为最优初始网格。
步骤（3）：不同边界条件下“阀门-管道”压差
利用步骤（2）中得到的最优初始网格，考虑不同的流动边界条件，结合多次网格自适应操作，仿真计算各边界条件下的“阀门-管道”模型的进出口压差。
步骤（4）：不同边界条件下“直管道”压差
针对“直管道”流场模型，设置与步骤（3）中相对应的边界条件，结合网格自适应操作，仿真计算各边界条件下的“直管道”模型的进出口压差。
步骤（5）：计算阀门流量系数
将“阀门-管道”压差与“直管道”压差的差值代入阀门流量系数计算公式中进行计算，得到相应的阀门流量系数，式中为流量（单位：），∆P v 为阀门的净压差（单位：），为密度（单位：），常温下。
步骤（6）：计算流量系数平均值
将各组边界条件下最后一次自适应计算得到的流量系数取算术平均值，并将此均值作为阀门流量系数的预测值。
本发明的有益效果是：
（1）相比于实验方法测量阀门流量系数，本发明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，本发明通过应用网格自适应技术大大提高了仿真精度。利用y+自适应技术可以有效的改善边界层网格，利用速度梯度自适应技术则可对流场中急变流区域网格进行自动加密，避免了人工加密网格的盲目性，同时也降低了工作量和难度。该方法对操作者优化网格的专业程度依赖性不高，有利于在工业界普遍推广。
（3）本发明在阀门进出口分别延长了5倍和10倍公称直径长度的管道区域，这种做法可以让流体介质充分发展，且可以有效避免回流现象的发生。在仿真过程中用“阀门-管道”压差∆P 1和“直管道”压差∆P 2的差值∆P v 对阀门流量系数进行计算，这种方法有效地避免了长直管道产生的压差对计算结果的影响。
附图说明
图1是本发明所述流量系数计算方法流程图；
图2是同一初始网格不同边界条件自适应前后相对误差变化折线图。
具体实施方式
图1是本发明所述流量系数计算方法流程图，下面提供本发明所述的一种基于CFD仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法的具体实施方式。
实施例1：
本实施例的操作步骤如下：
（1）建立流场模型和网格划分
以DN500偏心蝶阀为例，利用Solidworks建立装配体模型，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5倍公称直径和10倍公称直径长度的管道；然后抽取“阀门-管道”流场模型，总长度为7857毫米，并且建立15倍公称直径长度的“直管道”流场模型，总长度为7500毫米。
利用ANSYSICEMCFD前处理软件将“阀门-管道”流场模型划分为混合网格，将“直管道”流场模型全部划分为结构网格。
（2）判断最优初始网格
针对“阀门-管道”流场模型设置2.3m/s的进口流速，在45万、140万、311万、383万、427万五种不同规模的网格下进行仿真运算。仿真得到的压差如表1所示。
表1不同网格规模下仿真结果
| 网格数量 | 45万 | 140万 | 311万 | 383万 | 427万 |
| 压差 | 4103.901 | 4002.798 | 3918.347 | 3854.502 | 3840.697 |
每一次增加网格数量仿真得到压差之间的相对误差分别为2.464%、2.110%、1.629%和0.358%，利用427万网格计算得到的压差相对误差低于1.5%，故选取最优网格数量为427万。
（3）不同边界条件下“阀门-管道”压差
针对“阀门-管道”流场模型，在427万网格数量下分别设置入口速度为2.3m/s、2.88m/s、3.17m/s、3.33m/s，并且对每一组实验进行2次网格自适应，共进行12次仿真计算。不同边界条件下仿真得到的“阀门-管道”压差如表2所示，单位为Pa。
表2不同进口速度下“阀门-管道”压差仿真结果
| 2.30m/s | 2.88m/s | 3.17m/s | 3.33m/s | |
| 无自适应 | 3840.697 | 6098.928 | 7705.834 | 8663.991 |
| 1次自适应 | 3760.412 | 6016.862 | 7568.538 | 8416.179 |
| 2次自适应 | 3759.700 | 5956.436 | 7494.298 | 8298.444 |
（4）不同边界条件下“直管道”压差
针对“直管道”流场模型，在373万网格数量下设置与步骤（3）中对应的边界条件，并分别进行一次网格自适应操作。不同边界条件下仿真得到的“直管道”压差如表3所示，单位为Pa。
表3不同进口速度下“直管道”压差仿真结果
| 2.30m/s | 2.88m/s | 3.17m/s | 3.33m/s | |
| 无自适应 | 524.50 | 798.99 | 954.43 | 1107.76 |
| 1次自适应 | 515.50 | 789.96 | 957.64 | 1116.52 |
（5）阀门流量系数计算
将以上仿真结果带入阀门流量系数计算公式中，计算得到的流量系数如表4所示。
表4不同进口速度下流量系数仿真结果
| 2.30m/s | 2.88m/s | 3.17m/s | 3.33m/s | |
| 无自适应 | 8915.62 | 8835.27 | 8625.77 | 8567.93 |
| 1次自适应 | 9025.24 | 8904.36 | 8714.88 | 8712.15 |
| 2次自适应 | 9026.23 | 8956.28 | 8764.23 | 8783.27 |
基于表4所示的仿真计算结果与实验测得的平均流量系数（9193.94），可得在不同入口流速条件下仿真计算的相对误差，如图2所示。可以发现，针对不同的入口条件，基于CFD仿真的流量系数计算方法都具有较高的准确性，而且应用网格自适应方法后，相对误差更进一步减小。以上结果表明了本文提出的仿真方法能够适用于不同的入口条件，具有较好的通用性。
（6）计算流量系数平均值
对上述几种不同边界条件下最后一次自适应得到的流量系数计算平均值得到此阀门的流量系数的预测值为8882.50，与实验测得的平均流量系数相对误差为3.387%，可见本发明提出的一种基于CFD仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法具有很高的仿真精度。
在本实施案例中第一次自适应过程都同时应用y+自适应和速度梯度自适应，其中在y+自适应中设置粗化阀值为30、加密阀值为200；在速度梯度自适应中选取的自适应方法为Gradient，标准化方式为Standard，根据自适应函数等值线云图确定速度梯度变化较大区域，得到加密阀值。之后，继续采用y+自适应对近壁面网格进行不同次数的优化，直到满足30<y+<300的条件。
实施例2：
本实施例的操作过程如下：
（1）建立流场模型和网格划分
以DN100中线蝶阀为例，利用Solidworks建立装配体模型，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5倍公称直径和10倍公称直径长度的管道；然后抽取“阀门-管道”流场模型，并且建立15倍公称直径长度的“直管道”流场模型。
利用ANSYSICEMCFD前处理软件将“阀门-管道”流场模型划分为混合网格，将“直管道”流场模型全部划分为结构网格。
（2）确定最优初始网格
针对“阀门-管道”流场模型，本研究在31.8kg/s的进口流量，16万、42万和66万和89万四种不同规模的初始网格下进行仿真计算，仿真得到的压差如表5所示，单位为Pa。
表5不同网格规模下流量系数仿真结果
| 16万 | 42万 | 66万 | 89万 | |
| 压差 | 8355.23 | 8219.93 | 8101.65 | 8083.22 |
每一次增加网格数量计算得到的“阀门-管道”压差之间的相对误差分别为1.619%、1.439%和0.227%，利用最后两组网格计算得到的流量系数相对误差均低于1.5%，但是从计算效率和计算精度两方面综合考虑选取最优网格数量为66万。
（3）不同边界条件下“阀门-管道”压差
在66万网格规模的情况下分别设置入口流量为31.8kg/s、38.4kg/s、50kg/s，并且对每一组实验进行1次网格自适应，共进行6次仿真计算。不同边界条件下仿真得到的“阀门-管道”压差如表6所示，单位为Pa。
表6不同进口速度下流量系数仿真结果
| 无自适应 | 一次自适应 | |
| 31.8kg/s | 8101.65 | 7744.70 |
| 38.4kg/s | 11678.30 | 11085.70 |
| 50kg/s | 19431.50 | 18263.40 |
（4）不同边界条件下“直管段”压差
针对“直管道”流场模型，在44万网格数量下设置与步骤（3）中对应的边界条件，并分别进行一次网格自适应操作。不同边界条件下仿真得到的“直管道”压差如表7所示，单位为Pa。
表7不同进口速度下流量系数仿真结果
| 无自适应 | 一次自适应 | |
| 15.9kg/s | 1830.90 | 1833.70 |
| 19.2kg/s | 2580.30 | 2585.80 |
| 25kg/s | 4174.30 | 4170.90 |
（5）计算阀门流量系数
将以上仿真结果带入阀门流量系数计算公式中，计算得到的流量系数以及与实验测得的平均流量系数（470.00）的相对误差如表8所示。
表8不同进口速度下流量系数仿真结果
| 无自适应 | 相对误差 | 一次自适应 | 相对误差 | |
| 15.9kg/s | 457.26 | 2.71% | 470.86 | 0.183% |
| 19.2kg/s | 458.45 | 2.46% | 474.16 | 0.886% |
| 25kg/s | 460.77 | 1.96% | 479.49 | 2.019% |
可以发现，针对不同的入口条件，基于CFD仿真的流量系数计算方法都具有较高的准确性，而且应用网格自适应方法后，相对误差更进一步减小。
（6）计算流量系数平均值
对上述几种不同边界条件下最后一次自适应得到的流量系数计算平均值得到此阀门的流量系数为474.84，与实验测得的平均流量系数相对误差为1.029%，可见本发明提出的一种基于CFD仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法具有很高的仿真精度。
在本实施案例中第一次自适应过程都同时应用y+自适应和速度梯度自适应，其中在y+自适应中设置粗化阀值为30、加密阀值为50；在速度梯度自适应中选取的自适应方法为Gradient，标准化方式为Standard，根据自适应函数等值线云图确定速度梯度变化较大区域，得到加密阀值。之后，继续采用y+自适应对近壁面网格进行不同次数的优化，直到满足30<y+<60的条件。
上面所述仅是本发明的基本原理和操作步骤，并非是对本发明做出限制，显然，本领域的技术人员可以对发明做出各种改动和变型而不脱离本发明的范围和精神，倘若这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种基于CFD仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）建立阀门装配体三维模型，分别抽取“阀门-管道”流场和“直管道”流场模型并划分网格，其中对“阀门-管道”流场模型划分多组不同规模的网格；
（2）针对“阀门-管道”流场模型，分别应用不同规模的初始网格进行仿真试运算，并分析所得的“阀门-管道”模型进出口压差随网格规模的变化趋势，判断最优初始网格；
（3）利用步骤（2）中得到的最优初始网格，考虑不同的流动边界条件，结合多次网格自适应操作，仿真计算各边界条件下的“阀门-管道”模型的进出口压差；
（4）针对“直管道”流场模型，设置与步骤（3）中相对应的边界条件，结合网格自适应操作，仿真计算各边界条件下的“直管道”模型的进出口压差；
（5）将步骤（3）和（4）中所得各组边界条件下对应的压差差值代入到阀门流量系数计算公式，得到相应的阀门流量系数值；
（6）将各组边界条件下最后一次自适应计算得到的流量系数取算术平均值，并将此均值作为阀门流量系数的预测值；
所述步骤（5）中计算流量系数所采用的公式为，
式中，Q为流量（单位：m 3/h），∆P v 为阀门的净压差（单位：kPa），ρ为密度（单位：kg/m 3），常温下；
计算流量系数时使用的净压差∆P v 是对“阀门-管道”流场模型仿真得到的压差与对“直管道”流场模型仿真得到的压差的差值。
2.根据权利要求1所述的基于CFD仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法，其特征在于：在步骤（1）所述的划分网格操作中，“阀门-管道”流场模型的上下游管道划分为结构化网格，中间阀门区域划分为非结构化网格；“直管道”流场模型则全部划分为结构化网格。
3.根据权利要求1所述的基于CFD仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法，其特征在于：在步骤（2）所述最优初始网格的判断中，当在某初始网格基础上网格数量增加10%而计算所得的压差变化量不超过1.5%时，将该初始网格选取为最优初始网格。
4.根据权利要求1所述的基于CFD仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法，其特征在于：所述步骤（3）或（4）中，均采用多次网格自适应操作进行网格优化，第一次网格自适应包括y+自适应和速度梯度自适应，之后每次自适应操作只包括y+自适应。
5.根据权利要求4中所述的基于CFD仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法，其特征在于：应用 y+自适应改善边界层网格，根据模型大小和计算机性能选择加密阀值和粗化阀值，经过多次y+自适应使边界层网格的y+值满足30<y+<300。
6.根据权利要求4所述的基于CFD仿真和网格自适应的阀门流量系数计算方法，其特征在于：应用速度梯度自适应对流场中急变流区域的网格自动加密，根据自适应函数等值线云图确定速度梯度变化较大区域，得到加密阀值。
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