CN113255185A - 一种阀门调节特性自动仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及阀门设计领域，具体涉及一种阀门调节特性自动仿真方法，包括以下步骤：S1、建立阀门三维模型；S2、将阀门三维模型导入模型模块中，并进行阀门开度参数创建和流体域三维模型创建；S3、网格划分，并生成网格文件；S4、进入求解模块，对流体介质、湍流模型、求解器和求解控制参数进行设置；并创建输出参数；S5、进入参数集模块，设置阀门调节特性所需仿真的多个开度参数，并求解计算出输出参数；S6、求解完成后，读取参数集模块中的阀门各开度下的参数值，包括阀门开度参数值和输出参数；S7、按照流量系数计算公式计算出各开度流量系数，绘制出阀门调节特性曲线图。本方案降低了仿真人员的仿真操作时间及劳动强度，提高了仿真的效率。

Description

一种阀门调节特性自动仿真方法
技术领域
本发明涉及阀门设计领域，具体涉及一种阀门调节特性自动仿真方法。
背景技术
阀门在现代化工工艺系统中，起着调节介质压力、流量等参数的作用，是工艺系统中重要的控制元件；而阀门调节特性则是工艺系统参数设计的主要依据。在有限元技术成熟前，阀门调节特性仅能通过流量试验获取；有限元技术成熟后，可通过有限元仿真软件获取阀门调节特性曲线，缩短了阀门设计周期和节省了阀门试验成本。
中国专利申请号为CN201810742455.9的发明专利公开了一种调节阀内部尺寸设计方法，通过该专利可知，此专利提供了基于ANSYS平台的阀门Cv值模拟测试方法，解决了现有技术中调节阀内部尺寸与理论值误差较大且产品周期较长的问题，提高了内部尺寸的设计精度，缩短了产品研发周期。但是，此方法每次只能测试某个特定阀门开度的Cv值，若需获得阀门调节特性，则需从头开始对相关模型、模块进行更改、设置，对每个开度进行重复性测试，这样增加了仿真人员的仿真操作时间及劳动强度，仿真效率低下。
中国专利申请号为CN202010549961.3发明专利公开了一种阀门流量特性模拟实验方法，此专利通过建立三维流道模型、录制脚本、程序编写、动网格重构技术，实现了阀门流量特性的获取。但此方法存在以下缺点：(1)三维流道模型即阀门内部流体模型，这属于逆向建模，需要极强的三维建模能力和空间想象力，建模难度较大；(2)录制脚本及程序编写，需仿真人员具备一定编程能力及熟悉仿真软件程序编写特点，因此对仿真人员的能力具有极高的要求；(3)动网格重构技术是仿真软件对流道模型变动后自动网格划分技术，是动态过程，对计算机配置要求高且求解效率低下。
发明内容
本发明意在提供一种阀门调节特性自动仿真方法，以降低仿真人员的仿真操作时间及劳动强度，提高仿真的效率。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种阀门调节特性自动仿真方法，包括以下步骤：
S1、使用三维软件建立阀门三维模型；
S2、在建好阀门三维模型之后，将阀门三维模型导入模型模块中，并进行阀门开度参数创建和流体域三维模型创建；
S3、将流体域三维模型进行网格划分，并生成网格文件；
S4、进入求解模块，对流体介质、湍流模型、求解器和求解控制参数进行设置；并创建输出参数：阀门进口压力、阀门出口压力及阀门进口流量；
S5、进入参数集模块，设置阀门调节特性所需仿真的多个开度参数，并求解计算出阀门进口压力、阀门出口压力及阀门进口流量等参数；
S6、求解完成后，读取参数集模块中的阀门各开度下的参数值，包括阀门开度参数值、阀门进口压力参数值、阀门出口压力参数值及阀门进口流量参数值；
S7、将阀门各开度下的参数值输入到数据处理工具中，按照流量系数计算公式计算出各开度流量系数，最后绘制阀门调节特性曲线图。
优选的，作为一种改进，S2中，还进行流场仿真几何清理，流场仿真几何清理包括倒角。通过仿真几何清理降低了网格数量，提高了计算效率。
优选的，作为一种改进，S3中，采用ANSYS mesh将流体域三维模型进行网格划分，通过设置全局网格尺寸以及细化节流处网格，完成网格划分并生成网格文件。
优选的，作为一种改进，S4中，流体介质为水、湍流模型为RNS K-e，求解器为Pressure-based，求解控制参数保持默认。
优选的，作为一种改进，S7中，流量系数计算公式为：
Figure BDA0003078702440000021
式中，Cv为仿真流量系数，P1为阀门进口压力，单位为Pa；P2为阀门出口压力，单位为Pa；Q为质量流量，单位为kg/s。
优选的，作为一种改进，S7中，数据处理工具为Excel。Excel在数据处理比较常用，无需借助其他高端的数据处理工具，操作简单方便易学。
优选的，作为一种改进，S2中，模型模块为DesignModeler模块。
优选的，作为一种改进，阀门的初始开度大于阀门的死区开度。因阀门结构特性，存在一定开启死区，当阀门开度大于阀门的死区开度时，阀门才会开启。
优选的，作为一种改进，模型模块、求解模块和参数集模块均位于Fluid Flow模块中。
优选的，作为一种改进，S2中，阀门三维模型转化为中间格式*.x_t，然后再导入模型模块中。
采用上述技术方案时，具有以下优点：
1、本方案基于有限元法，提出了一种阀门调节特性自动仿真方法，简单易行，仿真人员无需具备极强的三维建模能力和空间想象力，也无需具备一定编程能力及熟悉仿真软件程序编写特点，适用于具有不同仿真基础的仿真人员，对仿真人员的所具备的能力要求不高。
2、通过本方案，仿真人员只需完成阀门一个开度仿真分析设置及阀门开度参数、输出参数设置，其余开度流场仿真，软件依定义自动根据不同的开度而求解计算出相应的输出参数的值，无需对每个开度进行重复性测试，减少了仿真人员的仿真操作时间及劳动强度，仿真效率提高。
3、此外，每个开度流场仿真均采用稳态仿真，极大地降低了计算机配置，对计算机的配置没有过高的要求，从而提高了仿真效率。
附图说明
图1为本方法操作流程图。
图2为球阀三维模型图。
图3为阀门调节特性曲线图。
图4为开度18°下流体域三维模型图。
图5为开度18°下流体域网格图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：阀座1、阀杆2、球芯3、左阀体4、右阀体5、阀前管道6、阀后管道7。
一种阀门调节特性自动仿真方法，结合图1所示，包括以下步骤：
S1、建立阀门三维模型：根据现有的ZJHR-V DN100近似对数特性的二维图纸，运用三维软件建立阀门整机三维模型。请参阅图2，阀前阀后管道按照Cv(流量系数)测试标准建立，阀前2d、阀后6d(d为管道公称通径)，只需要建立阀座1、阀杆2、球芯3、左阀体4、右阀体5、阀前管道6、阀后管道7。
S2、建立阀门开度参数及流体域模型：将S1中的阀门三维模型转化为中间格式*.x_t，导入Fluid Flow(Fluent)中的模型模块中，本实施例中模型模块为DesignModeler模块，建立阀门开度参数angle及创建流体域三维模型，由于此阀门为对称模型，采用一半模型，如图4所示。
S3、网格模型建立：进入Fluid Flow(Fluent)中的网格划分模块，对步骤S2中创建的流体域三维模型进行网格划分，通过设置全局网格尺寸、细化节流处网格，完成网格划分。对阀前、后管道采用六面体网格，阀体处采用四面体网格，六面体网格和四面体网格交界处网格节点自动对齐；对阀体处细小流体域采用网格细化，网格数量在100万左右，如图5所示。
S4、数值仿真设置及建立输出参数：进入Fluid Flow(Fluent)中的求解设置模块，设置流体介质为水、湍流模型RNS K-e、压力进口500000Pa和压力出口0pa，其求解器采用默认设置Pressure-based，求解控制参数保持默认。此外，建立求解输出参数：进口压力P_in、出口压力P_out及进口质量流量flow_in。
S5、设置阀门开度参数：进入Fluid Flow(Fluent)中的参数集模块，设置阀门调节特性所需仿真的其余开度参数值，并求解计算出各个开度参数下的输出参数：进口压力P_in、出口压力P_out及进口质量流量flow_in。设置阀门调节特性所需仿真的其余开度参数值时，因阀门结构特性，存在一定开启死区，阀门开度为18°时，阀门才开启，因此这里设置调节特性的阀门开度为18°-90°，且开度每隔10％(即9°)设置仿真求解点。
S6、求解完成后，读取参数集模块中的阀门各开度下的参数值，包括阀门开度参数angle、进口压力参数P_in、出口压力参数P_out及进口流量参数flow_in，具体计算的参数值如下表所示。
计算结果参数表：
Figure BDA0003078702440000041
Figure BDA0003078702440000051
S7、将S6中读取的数据，输入excel中，并按照公式①在Excel中编写流量系数计算公式，计算各开度Cv值，绘制调节特性曲线图，如图3所示。
其中，公式①：
Figure BDA0003078702440000052
其中Cv为仿真流量系数，P1为进口压力，单位为Pa；P2为出口压力，单位为Pa；Q为质量流量，单位为kg/s。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (10)

1.一种阀门调节特性自动仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、使用三维软件建立阀门三维模型；
S2、在建好阀门三维模型之后，将阀门三维模型导入模型模块中，并进行阀门开度参数创建和流体域三维模型创建；
S3、将流体域三维模型进行网格划分，并生成网格文件；
S4、进入求解模块，对流体介质、湍流模型、求解器和求解控制参数进行设置；并创建输出参数：阀门进口压力、阀门出口压力及阀门进口流量；
S5、进入参数集模块，设置阀门调节特性所需仿真的多个开度参数，并求解计算出阀门进口压力、阀门出口压力及阀门进口流量等参数；
S6、求解完成后，读取参数集模块中的阀门各开度下的参数值，包括阀门开度参数值、阀门进口压力参数值、阀门出口压力参数值及阀门进口流量参数值；
S7、将阀门各开度下的参数值输入到数据处理工具中，按照流量系数计算公式计算出各开度流量系数，最后绘制阀门调节特性曲线图。
2.根据权利要求1所述的一种阀门调节特性自动仿真方法，其特征在于：S2中，还进行流场仿真几何清理，流场仿真几何清理包括倒角。
3.根据权利要求1所述的一种阀门调节特性自动仿真方法，其特征在于：S3中，采用ANSYS mesh将流体域三维模型进行网格划分，通过设置全局网格尺寸以及细化节流处网格，完成网格划分并生成网格文件。
4.根据权利要求1所述的一种阀门调节特性自动仿真方法，其特征在于：S4中，流体介质为水、湍流模型为RNS K-e，求解器为Pressure-based，求解控制参数保持默认。
5.根据权利要求1所述的一种阀门调节特性自动仿真方法，其特征在于：S7中，流量系数计算公式为：
Figure FDA0003078702430000011
式中，Cv为仿真流量系数，P1为阀门进口压力，单位为Pa；P2为阀门出口压力，单位为Pa：Q为质量流量，单位为kg/s。
6.根据权利要求1所述的一种阀门调节特性自动仿真方法，其特征在于：S7中，数据处理工具为Excel。
7.根据权利要求1所述的一种阀门调节特性自动仿真方法，其特征在于：S2中，模型模块为DesignModeler模块。
8.根据权利要求1所述的一种阀门调节特性自动仿真方法，其特征在于：阀门的初始开度大于阀门的死区开度。
9.根据权利要求1所述的一种阀门调节特性自动仿真方法，其特征在于：模型模块、求解模块和参数集模块均位于Fluid Flow模块中。
10.根据权利要求7所述的一种阀门调节特性自动仿真方法，其特征在于：S2中，阀门三维模型转化为中间格式*.x_t，然后再导入模型模块中。
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