CN113553737A - 一种基于阀门压差的阀门流量预测方法 - Google Patents

一种基于阀门压差的阀门流量预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于阀门压差的阀门流量预测方法，包括以下步骤：确定流体物性；根据所选流经阀门的流体，确定流体的物性参数，如密度(Kg/m3)、动力粘性(m2/s)，确定阀门流量系数曲线方程；阀门流量系数曲线方程一般通过两种方法获得，一种是查阀门手册，可以快速读取阀门流量系数曲线方程；另外一种可以通过数值模拟的方法得到阀门流量系数曲线方程。有益效果：转换为流经阀门流量的变化，与传统的流量计测流量相比，本方法不用在流场内部放置检测装置，对流体的扰动很小，不会改变检测区域流体的流量，且压力传感器对压力的变化比流量计对流量的变化敏感。因此，该方法对流量的预测具有干扰小、响应快的特点。

Description

一种基于阀门压差的阀门流量预测方法
技术领域
本发明涉及流体流量预测技术领域，具体来说，涉及一种基于阀门压差的 阀门流量预测方法。
背景技术
流量计是计量科学技术的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学 研究有密切的关系。流量测量工作，对保证产品质量、提高生产效率、促进科 学技术的发展都具有重要作用。传统的流量测量，如差压式流量计、转子流量 计、节流式流量计等，都需要将装置伸入流场内部，对于一些流体流动剧烈复 杂的流场，这些测量装置会对流场造成剧烈影响，破坏流场内部的流动特性， 不仅得不到准确的流量信息，还改变了流场的速度分布。
特别地，在一些狭窄微小阀门管道空间，不足以放置传统的流量计，或者 放置的流量计强烈干扰测量区域的流场流量，导致测量的流量与真实值的偏差 很大。因此运用不伸入流场、较小扰动的基于阀门压差的阀门流量预测方法， 预测阀门流道流体流量显得较为合适可靠.
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于阀门压差的阀门流量预测 方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于阀门压差的阀门流量预测方法，包括以下步骤：
S101、确定流体物性；根据所选流经阀门的流体，确定流体的物性参 数，如密度(Kg/m3)、动力粘性(m2/s)；
S103、确定阀门流量系数曲线方程；阀门流量系数曲线方程一般通过 两种方法获得，一种是查阀门手册，可以快速读取阀门流量系数曲线方程； 另外一种可以通过数值模拟的方法得到阀门流量系数曲线方程；
S1031、建立流道模型；建立所要模拟阀门模型，设置阀门相对开度M 为5％，对模型流体区域进行抽取，获得流道模型，流道模型特征在于：所 述流道模型为进口管长为五倍管径、出口管长为十倍管径的蝶阀；
S1032、网格无关性验证；对流道模型进行网格划分，比较不同网格模 型下流道中的流量系数，选取符合要求的网格模型；
S105、测量阀前压力P1 *和阀后压力后P2 *，从而计算阀门前后的压力差， 计算公式如下：
Figure BDA0003136499160000021
其中ΔP表示流体流经阀门的压力差，单位为百帕斯卡；P1 *表示测得的 流体流经阀前五倍管径处的压力，单位为帕斯卡；P2 *表示测得的流体流经 阀后十倍管径处的压力，单位为帕斯卡；
S107、预测阀门流量；确定阀门相对开度M，根据阀门流量系数曲线 方程确定流量系数Kv *，从而计算得到阀门的流量Q*，计算公式如下：
Figure BDA0003136499160000022
其中Q*表示预测的阀门流量，单位为立方米每小时；Kv *表示根据所得阀门 流量系数曲线方程得到阀门流量系数；ρ*表示流体密度，单位为千克每立方 米，ΔP表示流体流经阀前五倍管径和阀后十倍管径处的压差，单位为百帕 斯卡。
作为优选的，所述步骤S103中选取符合要求的网格模型具体实施步骤 如下：
S1033、根据流道模型的局部特征，绘制不同数量网格数的流道网格， 确保网格质量大于0.3，将所有流道网格按网格数按升序进行排序，比较相 邻网格数下的流量系数，相邻网格数下流量系数的偏差在以内的网格即为 符合要求的网格模型；
S1034、数值模拟计算，将符合要求的网格模型导入ANSYS-FLUENT软 件进行数值模拟计算；
S1035、设置边界条件；当阀门实际工作条件明确时，根据实际工作条 件设置边界条件；当阀门实际工作条件不明确时，设置进口边界条件为压 力进口(压力值为0.1MPa)，出口边界条件为压力出口(压力值为0MPa)， 其余边界设置为无滑移的壁面边界条件；
S1036、求解设置；求解方法选用SIMPLE算法，其中SIMPLE算法中的 梯度离散方式采用基于单元体的最小二乘法，SIMPLE算法中的压力、动量、 能量离散方式均采用二阶迎风格式，初始化设置为全局初始化，设置求解 残差和迭代步数，确保求解收敛有效；
S1037、输出计算结果；在ANSYS-FLUENT软件后处理中，导出阀门流 量系数和进出口压力。
作为优选的，所述步骤S1034具体实施步骤如下：
S10341、定义求解器；求解器类型采用基于压力的求解器，时间类型 设置为稳态计算方式，求解器的速度方程采用相对速度，操作压力设置为 当地大气压；
S10342、选择计算模型；根据流体的流动状态，选择不同的计算模型， 其步骤如下：
S103421、当雷诺数低于2300，选择层流模型，使用Laminar层流模型；
S103422、当雷诺数大于2300，选择Standard湍流模型。
作为优选的，所述步骤S1037中输出计算结果方法步骤如下：
S10371、选择Results模块中的Reports模块，其中Report Type选择 Volume FlowRate，Surfaces选择出口面，即可显示其体积流量Q；
S10372、选择Results模块中的Reports模块，其中Surface Integrals 选择Surface Integrals，在Report Type模块选择Facet Average，在Surface Integrals模块右侧的Field Variable模块选择Static Pressure，在Surfaces模块 分别选择出口面和进口面，单击Compute在ANSYS-FLUENT的Console窗口 即可显示其进口面压力P1和出口面压力P2；
S1037、计算阀门流量系数；通过ANSYS-FLUENT软件导出的体积流量、 进出口压力和流体密度计算得到该阀门开度下的流量系数，计算公式如下：
Figure BDA0003136499160000031
Kv表示计算所得流量系数；Q表示ANSYS-FLUENT软件导出的阀门流量， 单位为立方米每秒；ρ表示流体密度，单位为千克每立方米；P1表示测得的 流体流经阀前五倍管径处的压力，单位为帕斯卡；P2表示测得的流体流经 阀后十倍管径处的压力，单位为帕斯卡；
S1038、得到不同开度下阀门流量系数曲线方程；在已有相对开度的基 础上，第一次将阀门相对开度M增加5％，之后在前者相对开度M的基础 上增加10％，不断重复所述步骤二中①～④的步骤直到阀门相对开度M为 100％，获取5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和 100％相对开度M下的阀门流量系数，将所得相对开度下的流量系数进行五 阶函数拟合，从而得到不同开度下阀门流量系数曲线方程。
作为优选的，通过对管道以及管道上的阀门进行三维建模，其特征在 于：阀前选取长度五倍于管径的管道，阀后十倍于管径的管道，根据所建 模型，使用ANSYS Workbench中的DesigenModeler抽取阀门流道模型。
作为优选的，其压差为阀门前五倍管径处与阀门后十倍管径处的压力 差值，即上述模型进口和出口的压力差值。
作为优选的，对流道进行网格划分，其特征在于：步骤二所述②的网 格划分，使用ANSYS Workbench的Meshing对流道进行网格划分，网格类 型采用非结构网格，且保证最差网格的网格质量大于0.3。
本发明的有益效果为：通过监测阀门进出口的压差变化，转换为流经阀门 流量的变化，与传统的流量计测流量相比，本方法不用在流场内部放置检测装 置，对流体的扰动很小，不会改变检测区域流体的流量，且压力传感器对压力 的变化比流量计对流量的变化敏感。因此，该方法对流量的预测具有干扰小、 响应快的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的一种基于阀门压差的阀门流量预测方法的流 程图；
图2是根据本发明实施例的一种基于阀门压差的阀门流量预测方法中蝶 阀流道模型图；
图3是根据本发明实施例的一种基于阀门压差的阀门流量预测方法中蝶 阀流道模型网格图；
图4是根据本发明实施例的一种基于阀门压差的阀门流量预测方法中蝶 阀流量系数网格无关性折线图：
图5是根据本发明实施例的一种基于阀门压差的阀门流量预测方法中蝶 阀流量系数曲线方程图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容 的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例 的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实 施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通 常用来表示类似的组件。
根据本发明的实施例，提供了一种基于阀门压差的阀门流量预测方法。
实施例一；
如图1-5所示，根据本发明实施例的基于阀门压差的阀门流量预测方法， 包括以下步骤：
步骤一：确定流体物性；水被广泛使用在阀门管道中，是较为常见的流体。 因此，选择水作为流过阀门的流量预测流体，则流体的密度ρ＝998Kg/m3、动力 粘度为v＝1.01×10-3Pa·s；
步骤二：确定阀门流量系数；阀门流量系数一般运用两种方法，一种是查 阀门手册，可以快速读取阀门流量系数；另外一种可以通过数值模拟的方法得 到流量系数，其特征在于：方法步骤如下：
①建立流道模型；建立所要模拟阀门模型，本例为蝶阀(不仅限于蝶阀)， 其阀门公称直径为1600mm进口管长8000mm内径1600mm，出口管长 16000mm内径1600mm，设置阀门相对开度为5％，对模型流体区域进行抽取， 获得流道模型，流道模型如图2所示；
②网格无关性验证；对流道模型进行网格划分，比较不同网格模型下流 道中的流量系数，选取符合要求的网格模型，其网格无关性验证结果如图4 所示；
所述步骤②中选取符合要求的网格模型具体实施步骤如下：
S1：根据流道模型的局部特征，绘制不同数量网格数的流道网格，确保网 格质量大于0.3。将所有流道网格按网格数按升序进行排序，比较相邻网格数 下的流量系数，相邻网格数下流量系数的偏差在以内的网格即为符合要求的网 格模型；
③数值模拟计算
将符合要求的网格模型如图3所示，导入ANSYS-FLUENT软件进行数值模 拟计算；
所述步骤③具体实施步骤如下：
S1：定义求解器；
求解器类型采用基于压力的求解器，时间类型设置为稳态计算方式，求解 器的速度方程采用相对速度，操作压力设置为当地大气压。；
S2：选择计算模型；
根据流体的流动状态，选择不同的计算模型，其步骤如下：
①当雷诺数低于2300，选择层流模型，使用Laminar层流模型；
②当雷诺数大于2300，选择湍流模型，由于Standard湍流模型的稳定 性，因此将Standard湍流模型作为计算模型；
S3：设置边界条件；当阀门实际工作条件明确时，根据实际工作条件设置 边界条件；当阀门实际工作条件不明确时，设置进口边界条件为压力进口(压 力值为0.1MPa)，出口边界条件为压力出口(压力值为0MPa)，其余边界设置 为无滑移的壁面边界条件；
S4：求解设置；求解方法旋转SIMPLE算法，其中SIMPLE算法中的梯度离 散方式采用基于单元体的最小二乘法，SIMPLE算法中的压力、动量、能量离 散方式均采用二阶迎风格式，初始化设置为全局初始化，设置求解残差为，迭 代步数为10000，确保求解收敛有效；
S5：输出计算结果；在ANSYS-FLUENT软件后处理中，导出阀门流量系数和 进出口压力，其特征在于：方法步骤如下：
I.选择Results模块中的Reports模块，其中Report Type选择Volume Flow Rate，Surfaces选择出口面，即可显示其体积流量Q＝0.8689m3/s；
II.选择Results模块中的Reports模块，其中Surface Integrals选择SurfaceIntegrals，在Report Type模块选择Facet Average，在Surface Integrals模块右侧 的Field Variable模块选择Static Pressure，在Surfaces模块分别选择出口面和进 口面，单击Compute在ANSYS-FLUENT的Console窗口即可显示其进口面压力 P1＝100000Pa和出口面压力P2＝0Pa；
④计算阀门流量系数；通过ANSYS-FLUENT软件导出的体积流量、进出口 压力和流体密度计算得到该阀门开度下的流量系数，计算公式如下：
Figure BDA0003136499160000071
Kv表示计算所得流量系数；Q表示ANSYS-FLUENT软件导出的阀门流量，单 位为立方米每秒；ρ表示流体密度，单位为千克每立方米；P2表示测得的流体 流经阀前五倍管径处的压力，单位为帕斯卡；表示测得的流体流经阀后十倍管 径处的压力，单位为帕斯卡；
⑤统计不同开度下的阀门流量系数
在已有相对开度M的基础上，第一次将阀门相对开度M增加5％，之后 在前者相对开度M的基础上增加10％，不断重复所述步骤二中①～④的步骤直 到阀门相对开度M为100％，获取M为5％、10％、20％、30％、40％、50％、 60％、70％、80％、90％和100％的阀门流量系数，将所得相对开度下的流量系 数进行五阶函数拟合，从而得到不同开度下阀门流量系数曲线方程，如图5 所示；
2.测量阀门前后压差ΔP；当阀门相对开度为100％时，测得阀前五倍管径 处的压力P1 *为0.09934MPa、阀后十倍管径处的压力P2 *为0.0007017MPa，则流 体在阀门处的压降可按照如下公式计算，公式如下：
Figure BDA0003136499160000072
其中ΔP表示流体流经阀门的压力差，单位为百帕斯卡；P1 *表示测得的流体 流经阀前五倍管径处的压力，单位为帕斯卡；P2 *表示测得的流体流经阀后十倍 管径处的压力，单位为帕斯卡；
3.预测阀门流量；在实际M＝100％工况下，通过在所得阀门流量系数曲 线方程得到阀门流量系数Kv *＝179711.44，通过实际工作流体密度以及测得的流 经阀门前后流体的压差，计算的得到阀门的流量Q*，计算公式如下：
Figure BDA0003136499160000081
其中Q*表示预测的阀门流量，单位为立方米每小时；Kv *表示根据所得流量 特性曲线或流量特性曲线的五阶拟合方程得到阀门流量系数；ρ*表示流体密 度，单位为千克每立方米，ΔP表示流体流经阀前五倍管径和阀后十倍管径处的 压差，单位为百帕斯卡。
4.当改变相对阀门开度，可以读取不同阀门相对开度下的流量系数。
按照相同计算方式，当相对开度为20％、40％、60％、80％时，在所得阀 门流量系数曲线上读取所述蝶阀流量系数为10000、24000、49800、101000， 测量阀的前后压差，通过计算可以对该阀门的流量进行预测，各相对开度M 下阀门的预测流量如下表1所示。
表1不同相对开度下流量预测表；
相对开度M 20％ 40％ 60％ 80％
流量系数K<sub>v</sub><sup>*</sup> 10000 24000 49800 101000
阀门前后压差(Pa×10<sup>2</sup>) 999.9 999.62 998.73 993.84
预测流量(m<sup>3</sup>/h) 10009.51 24019.47 49818.2 100789.3
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过监测阀门进出口的压差变 化，转换为流经阀门流量的变化，与传统的流量计测流量相比，本方法不用在 流场内部放置检测装置，对流体的扰动很小，不会改变检测区域流体的流量， 且压力传感器对压力的变化比流量计对流量的变化敏感。因此，该方法对流量 的预测具有干扰小、响应快的特点。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于阀门压差的阀门流量预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101、确定流体物性；根据所选流经阀门的流体，确定流体的物性参数，如密度(Kg/m3)、动力粘性(m2/s)；
S103、确定阀门流量系数曲线方程；阀门流量系数曲线方程一般通过两种方法获得，一种是查阀门手册，可以快速读取阀门流量系数曲线方程；另外一种可以通过数值模拟的方法得到阀门流量系数曲线方程；
S1031、建立流道模型；建立所要模拟阀门模型，设置阀门相对开度M为5％，对模型流体区域进行抽取，获得流道模型，流道模型特征在于：所述流道模型为进口管长为五倍管径、出口管长为十倍管径的蝶阀；
S1032、网格无关性验证；对流道模型进行网格划分，比较不同网格模型下流道中的流量系数，选取符合要求的网格模型；
S105、测量阀前压力P1 *和阀后压力后P2 *，从而计算阀门前后的压力差，计算公式如下：
Figure FDA0003136499150000011
其中ΔP表示流体流经阀门的压力差，单位为百帕斯卡；P1 *表示测得的流体流经阀前五倍管径处的压力，单位为帕斯卡；P2 *表示测得的流体流经阀后十倍管径处的压力，单位为帕斯卡；
S107、预测阀门流量；确定阀门相对开度M，根据阀门流量系数曲线方程确定流量系数Kv *，从而计算得到阀门的流量Q*，计算公式如下：
Figure FDA0003136499150000012
其中Q*表示预测的阀门流量，单位为立方米每小时；Kv *表示根据所得阀门流量系数曲线方程得到阀门流量系数；ρ*表示流体密度，单位为千克每立方米，ΔP表示流体流经阀前五倍管径和阀后十倍管径处的压差，单位为百帕斯卡。
2.根据权利要求1所述的一种基于阀门压差的阀门流量预测方法，其特征在于，选取符合要求的网格模型具体实施包括以下步骤；
S1033、根据流道模型的局部特征，绘制不同数量网格数的流道网格，确保网格质量大于0.3，将所有流道网格按网格数按升序进行排序，比较相邻网格数下的流量系数，相邻网格数下流量系数的偏差在以内的网格即为符合要求的网格模型；
S1034、数值模拟计算，将符合要求的网格模型导入ANSYS-FLUENT软件进行数值模拟计算。
S1032、网格无关性验证；对流道模型进行网格划分，比较不同网格模型下流道中的流量系数，选取符合要求的网格模型；
S1035、设置边界条件；当阀门实际工作条件明确时，根据实际工作条件设置边界条件；当阀门实际工作条件不明确时，设置进口边界条件为压力进口(压力值为0.1MPa)，出口边界条件为压力出口(压力值为0MPa)，其余边界设置为无滑移的壁面边界条件；
S1036、求解设置；求解方法选用SIMPLE算法，其中SIMPLE算法中的梯度离散方式采用基于单元体的最小二乘法，SIMPLE算法中的压力、动量、能量离散方式均采用二阶迎风格式，初始化设置为全局初始化，设置求解残差和迭代步数，确保求解收敛有效；
S1037、输出计算结果；在ANSYS-FLUENT软件后处理中，导出阀门流量系数和进出口压力。
3.根据权利要求2所述的一种基于阀门压差的阀门流量预测方法，其特征在于，所述步骤S1034具体实施步骤如下：
S10341、定义求解器；求解器类型采用基于压力的求解器，时间类型设置为稳态计算方式，求解器的速度方程采用相对速度，操作压力设置为当地大气压；
S10342、选择计算模型；根据流体的流动状态，选择不同的计算模型，其步骤如下：
S103421、当雷诺数低于2300，选择层流模型，使用Laminar层流模型；
S103422、当雷诺数大于2300，选择Standard湍流模型。
4.根据权利要求2所述的一种基于阀门压差的阀门流量预测方法，其特征在于，所述步骤S1037中输出计算结果方法步骤如下：
S10371、选择Results模块中的Reports模块，其中Report Type选择Volume FlowRate，Surfaces选择出口面，即可显示其体积流量Q；
S10372、选择Results模块中的Reports模块，其中Surface Integrals选择SurfaceIntegrals，在Report Type模块选择Facet Average，在Surface Integrals模块右侧的Field Variable模块选择Static Pressure，在Surfaces模块分别选择出口面和进口面，单击Compute在ANSYS-FLUENT的Console窗口即可显示其进口面压力P1和出口面压力P2；
S1037、计算阀门流量系数；通过ANSYS-FLUENT软件导出的体积流量、进出口压力和流体密度计算得到该阀门开度下的流量系数，计算公式如下：
Figure FDA0003136499150000031
Kv表示计算所得流量系数；Q表示ANSYS-FLUENT软件导出的阀门流量，单位为立方米每秒；ρ表示流体密度，单位为千克每立方米；P1表示测得的流体流经阀前五倍管径处的压力，单位为帕斯卡；P2表示测得的流体流经阀后十倍管径处的压力，单位为帕斯卡；
S1038、得到不同开度下阀门流量系数曲线方程；在已有相对开度的基础上，第一次将阀门相对开度M增加5％，之后在前者相对开度M的基础上增加10％，不断重复所述步骤二中①～④的步骤直到阀门相对开度M为100％，获取5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％和100％相对开度M下的阀门流量系数，将所得相对开度下的流量系数进行五阶函数拟合，从而得到不同开度下阀门流量系数曲线方程。
5.根据权利要求4所述的一种基于阀门压差的阀门流量预测方法，其特征在于，通过对管道以及管道上的阀门进行三维建模，其特征在于：阀前选取长度五倍于管径的管道，阀后十倍于管径的管道，根据所建模型，使用ANSYS Workbench中的DesigenModeler抽取阀门流道模型。
6.根据权利要求5所述的一种基于阀门压差的阀门流量预测方法，其特征在于，其压差为阀门前五倍管径处与阀门后十倍管径处的压力差值，即上述模型进口和出口的压力差值。
7.根据权利要求6所述的一种基于阀门压差的阀门流量预测方法，其特征在于，对流道进行网格划分，其特征在于：步骤二所述②的网格划分，使用ANSYS Workbench的Meshing对流道进行网格划分，网格类型采用非结构网格，且保证最差网格的网格质量大于0.3。
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