CN111881524B - 一种阀门流量特性模拟实验方法 - Google Patents

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Abstract

一种阀门流量特性模拟实验方法，S1、根据阀门建立三维流道模型；S2、将模型导入CAE前处理软件绘制网格录制脚本；S3、将网格文件导入计算流体力学软件设置边界条件，模拟计算并记录结果数据；判断计算结果是否为网格无关性最优解，如不是返回步骤S2，直至确定最优无关性网格；S4、进行多构型参数设置，建立触发调用脚本进行网格重构的条件；编译阀门进出口压力时间步曲线及阀芯运动时间步曲线作为边界条件；S5、进行阀门流量特性模拟计算，当计算过程中达到建立的触发条件时，进行网格自动重构；S6、输出流量特性曲线。该发明的优点在于：高度标准化的同时提高了计算精度，降低了操作门槛，避免人力资源及时间成本的耗费。

Description

一种阀门流量特性模拟实验方法
技术领域
本发明属于阀门模拟试验领域，具体是涉及一种阀门流量特性模拟实验方法。
背景技术
调节阀的流量特性就是指介质通过调节阀的相对流量系数与相应的相对行程之间的关系。其大小与阀门的尺寸、阀芯的形状等机构几何因子有关，典型的流量特性有线性、等百分比、抛物线、双曲线、快开等，流量特性反映了阀门的流通能力和节能环保性能，是调节阀重要的工艺参数和技术指标，也是调节阀应用选型的重要依据。随着计算机技术和数值模拟计算的发展普及，仿真模拟实验已经成为预测验证阀门流量特性的有效途径。本领域技术人员急需一种高标准化及自动的阀门流量特性模拟实验方法。
发明内容
为了实现不同开度的阀门流量特性的标准化高精度的自动模拟，为此，本发明提供一种阀门流量特性模拟实验方法。具体采用以下技术方案：
一种阀门流量特性模拟实验方法，包括以下步骤：
S1、根据阀门内部流道几何参数，建立三维流道模型；
S2、将三维流道模型导入CAE前处理软件中绘制网格形成网格文件，同时记录划分过程的所有操作命令即录制脚本，录制的脚本作为脚本文件；
S3、将绘制的网格文件导入计算流体力学软件中设置边界条件，然后进行模拟计算，记录计算结果数据；判断计算结果是否为网格无关性最优解，如不是返回步骤S2，直至确定最优无关性网格，并保存对应的脚本文件作为第一脚本文件；
S4、将最优无关性网格导入到计算流体力学软件中，进行参数多构型设置，包括建立触发调用脚本网格重构的条件；并且启动计算流体力学软件中的程序语言，编译阀门进出口压力边界条件时间步曲线，根据阀门额定行程参数，编译阀芯运动规律时间步曲线；
S5、进行阀门流量特性模拟计算，当模拟计算过程中达到建立的触发条件时，调用第一脚本文件，启动CAE前处理软件，进行网格自动重构；
S6、记录模拟计算数据，输出流量特性曲线。
具体地说，步骤S1中建立的三维流道模型包括阀门和管路，阀门前后管路长度分别取5～10倍的阀门公称通径，或采取先建立装配体模型，在通过软件反向建模生成三维流道几何模型。
具体地说，反向建模生成三维流道几何模型的软件为ANSYS Workbench软件。
具体地说，在步骤S4中所编译的编译阀门进出口压力边界条件时间步曲线与阀芯运动规律时间步曲线具有同步异周期性。
具体地说，在步骤S4中触发条件设置为阀门运动额定行程的设定百分比进行一次网格重构。
具体地说，步骤S6具体为：先通过步骤S1-S5获得与时间相关的流量系数曲线，然后根据时间步曲线与阀芯运动规律时间步曲线，获得与阀芯相对行程相关的相对流量系数曲线。
具体地说，设定百分比为10％。
具体地说，在步骤S6中记录的模拟计算数据为流量系数值，流量系数值是通过模拟计算边界条件参数和计算所得流量结果计算得出的，计算公式如下：
式中：Kv为阀门流量系数；Q为体积流量，m3/h；△pkv为105Pa的静压损失，Pa；△p为阀两端测出的静压损失，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；ρw为水的密度，kg/m3。
具体地说，所述CAE前处理软件为ICEM CFD软件。
具体地说，计算流体力学软件为ANSYS CFX软件，步骤S4中的计算流体力学软件中的程序语言为CEL Expression程序语言。
本发明的优点在于：
(1)本发明通过运用计算流体力学软件中的语言编译的时间步阀芯位移曲线，可有效的避免传统方法重复性建模累计误差导致的计算误差，缩短计算周期的基础上提高了计算精度。并且参数采用多构型设置，通过计算流体力学软件调用脚本文件在CAE前处理软件中进行网格重构，实现了对阀门流量特性的自动化模拟计算，避免了数以百计次重复建模再计算流量系数得出流量特性所带来的人力资源及时间成本的耗费。
(2)本发明能够在产品设计初期用极短的时间准确的预测阀门流量特性，实现阀门内部流场状态的三维可视化，有效的指导阀门结构参数的优化，同时可以极大地缩短系列化产品的设计研发周期。
(3)本发明所采用的CEL Expression时间步阀芯位移曲线与时间步边界条件曲线具跨周期同步性，实现了运算模型与边界条件的同步。该曲线适用于用于所有种类阀门流量特性的模拟实验，具有很高的标准化程度，同时减小了不同种类阀门重复模拟实验的难度，降低了对实验操作者的专业性要求，具有很强的推广价值。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为时间步阀芯位移曲线图。
图3为时间步边界条件曲线图。其中P1为被测阀门空化点以下最大压力，P2被测阀门空化点以下最大压力的50％，P3被测阀门空化点以下最大压力的10％。
图4为输出等百分比流量特性曲线图。
具体实施方式
如图1所示，一种阀门流量特性模拟实验方法，包括以下步骤：
S1、根据阀门内部流道几何参数，运用Pro/E、Solidworks、UG、Inventor等参数化三维建模软件，建立包括阀门和管路的三维流道几何模型，具体地说，当内部结构较为简单时，阀门前后管路长度分别取5～10倍的阀门公称通径，当阀门内部结构复杂时，可采取先建立装配体模型，再通过ANSYS Workbench软件反向建模生成三维流道几何模型；
S2、将三维流道模型导入CAE前处理软件中绘制网格形成网格文件，所述CAE前处理软件为ICEM CFD软件，同时调用ICEM CFD软件的Replay Control功能记录划分过程的所有操作命令即录制脚本，录制的脚本作为脚本文件。绘制网格的过程中需考虑模型动作边界的可重复性。
S3、将绘制的网格文件导入计算流体力学软件中设置边界条件，计算流体力学软件为ANSYS CFX软件，然后进行模拟计算，记录计算结果数据；判断计算结果是否为网格无关性最优解，如不是返回步骤S2，直至确定最优无关性网格，并保存对应的脚本文件作为第一脚本文件；
S4、将最优无关性网格导入到ANSYS CFX软件中，进行CFX configuration多构型设置，建立触发调用脚本网格重构的条件，其中触发条件是根据所生成最优无关性网格的数量及质量所确定的，最优无关性网格的数量及质量是在100％开度的时候确定的数值，如果开度变了，即阀芯位置改变，网格拉扯后质量会下降，不满足最优解后，就需要重构，在本方案中设置为阀门运动额定行程的10％进行一次网格重构。并且启动ANSYS CFX软件中的CEL Expression程序语言，编译阀门进出口压力边界条件时间步曲线，根据阀门额定行程参数，编译阀芯运动规律时间步曲线；所编译的编译阀门进出口压力边界条件时间步曲线与阀芯运动规律时间步曲线具有同步异周期性。
S5、进行阀门流量特性模拟计算，当模拟计算过程中达到建立的触发条件时，调用第一脚本文件，启动CAE前处理软件，进行网格自动重构。
S6、记录模拟计算数据，输出流量特性曲线。具体地说，先通过步骤S1-S5获得与时间相关的流量系数曲线，然后根据时间步曲线与阀芯运动规律时间步曲线，获得与阀芯相对行程相关的相对流量系数曲线。
模拟计算数据为流量值，流量系数值是通过模拟计算边界条件参数和计算所得流量结果，经CEL Expression编译的公式计算得出，计算公式如下：
式中：Kv为阀门流量系数；Q为体积流量，m3/h；△pkv为105Pa的静压损失，Pa；△p为阀两端测出的静压损失，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；ρw为水的密度，kg/m3。
输出流量特性曲线如图4所示，横坐标为相对行程h，纵坐标为相对流量系数Φ。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种阀门流量特性模拟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据阀门内部流道几何参数，建立三维流道模型；
S2、将三维流道模型导入CAE前处理软件中绘制网格形成网格文件，同时记录划分过程的所有操作命令即录制脚本，录制的脚本作为脚本文件；
S3、将绘制的网格文件导入计算流体力学软件中设置边界条件，然后进行模拟计算，记录计算结果数据；判断计算结果是否为网格无关性最优解，如不是返回步骤S2，直至确定最优无关性网格，并保存对应的脚本文件作为第一脚本文件；
S4、将最优无关性网格导入到计算流体力学软件中，进行参数多构型设置，包括建立触发调用脚本网格重构的条件；并且启动计算流体力学软件中的程序语言，编译阀门进出口压力边界条件时间步曲线，根据阀门额定行程参数，编译阀芯运动规律时间步曲线；
所编译的编译阀门进出口压力边界条件时间步曲线与阀芯运动规律时间步曲线具有同步异周期性；
S5、进行阀门流量特性模拟计算，当模拟计算过程中达到建立的触发条件时，调用第一脚本文件，启动CAE前处理软件，进行网格自动重构；
S6、记录模拟计算数据，输出流量特性曲线。
2.根据权利要求1所述的一种阀门流量特性模拟实验方法，其特征在于，步骤S1中建立的三维流道模型包括阀门和管路，阀门前后管路长度分别取5～10倍的阀门公称通径，或采取先建立装配体模型，在通过软件反向建模生成三维流道几何模型。
3.根据权利要求1所述的一种阀门流量特性模拟实验方法，其特征在于，反向建模生成三维流道几何模型的软件为ANSYS Workbench软件。
4.根据权利要求1所述的一种阀门流量特性模拟实验方法，其特征在于，在步骤S4中触发条件设置为阀门运动额定行程的设定百分比进行一次网格重构。
5.根据权利要求4所述的一种阀门流量特性模拟实验方法，其特征在于，设定百分比为10％。
6.根据权利要求1所述的一种阀门流量特性模拟实验方法，其特征在于，步骤S6具体为：先通过步骤S1-S5获得与时间相关的流量系数曲线，然后根据时间步曲线与阀芯运动规律时间步曲线，获得与阀芯相对行程相关的相对流量系数曲线。
7.根据权利要求6所述的一种阀门流量特性模拟实验方法，其特征在于，在步骤S6中记录的模拟计算数据为流量值，流量系数值是通过模拟计算边界条件参数和计算所得流量结果计算得出的，计算公式如下：
式中：Kv为阀门流量系数；Q为体积流量，m3/h；△pkv为105Pa的静压损失，Pa；△p为阀两端测出的静压损失，Pa；ρ为流体密度，kg/m3；ρw为水的密度，kg/m3。
8.根据权利要求1所述的一种阀门流量特性模拟实验方法，其特征在于，所述CAE前处理软件为ICEM CFD软件。
9.根据权利要求1所述的一种阀门流量特性模拟实验方法，其特征在于，计算流体力学软件为ANSYS CFX软件，步骤S4中的计算流体力学软件中的程序语言为CEL Expression程序语言。
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