CN113626956A - 一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法 - Google Patents

一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，包括以下步骤：建立阀门模型，进行流体域的抽取获得流道模型；对蝶板和流道模型进行网格划分；进行数值模拟计算，将蝶板和流道网格模型进行数值模拟计算，得到蝶板的固有频率和了流过蝶板的涡脱频率来预测蝶阀是否发生振动。有益效果：本方法可以在不进行实验的情况下，仅通过数值模拟的方式来预测振动，降低了预测振动的成本，并且在实际工程的应用中，能进行复杂工况的振动预测。

Description

一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法
技术领域
本发明涉及蝶阀振动预测技术领域，具体领域为一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法。
背景技术
阀门可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体的流动。在管道上主要起切断和节流作用。蝶阀启闭件是一个圆盘形的蝶板，在阀体内绕其自身的轴线旋转，从而达到启闭或调节的目的。蝶阀又叫翻板阀，是一种结构简单的调节阀，可用于低压管道介质的开关控制的蝶阀是指关闭件(阀瓣或蝶板)为圆盘，围绕阀轴旋转来达到开启与关闭的一种阀。
蝶阀投运后发生了振动，就会影响机组的安全和稳定运行。例如循环水泵出口液控蝶阀，就多次因振动剧烈、造成液控系统崩漏失压，阀门关闭。而传统的实验预测方法，仅能预测固场的固有频率，因此提出一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，仅需要用数值模拟的方式去预测蝶阀振动，相比于传统的振动预测方法，能模拟较复杂过程，快速得到结果，降低了振动预测成本。
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
本发明的目的在于提供一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：建立模型
建立阀门模型以及与阀门对应的流道模型；
步骤二：计算固有频率
根据模态分析计算得到的结果进行模态分析，计算出阀门模型的固有频率；
步骤三：计算涡脱频率
计算出流道模型对应的流体的涡脱频率；
步骤四：结果分析
通过步骤二和步骤三中计算得出的固有频率和涡脱频率，用两者进行频率比对，通过两者的频率之差进行蝶阀的振动预测。
优选的，所述阀门模型包括固体域模型和流体域模型。
优选的，3.所述步骤二中计算固有频率的步骤为：
S1：计算前处理
设置对所述固体域的材料属性以及固体的边界条件；
S2：数值模拟计算
采用ANSYS Workbench软件，通过Modal模块对所述固体域进行模态分析计算；
S3：模态分析
根据模态分析计算得到的结果进行模态分析，从而得到固体域的固有频率。
优选的，所述S1中包括以下步骤：
1)网格划分：
对固体域模型进行网格划分，保留网格质量在0.3以上且网格数300万左右的一套网格；
3)将网格导入Static Structural模块：
采用ANSYS Workbench软件中的Finite Element Modeler模块将ICEM软件所划分的固体域网格模型导入Static Structural模块；
3)固体域边界条件的耦合设置：采用ANSYS Workbench软件，在StaticStructural模块中设置固体域的材料属性以及固体的边界条件。
优选的，所述步骤三中计算涡脱频率的步骤为：
S1：网格划分
采用ICEM软件对步骤一获得的流道网格模型进行流体区域的网格划分，保留网格质量在0.3以上且网格数300万左右的一套网格；
S2：将网格导入FLUENT模块中
在ANSYS Workbench软件中，将流体域网格导入FLUENT模块中；
S3：参数设置
通过ANSYS Workbench软件中的FLUENT模块进入ANSYS-FLUENT，软件中进行流体域相关参数的设置，并且设置计算中所需要的升力系数监测点；
S4：耦合设置
在ANSYS Workbench软件中，通过Finite Element Modeler模块将步骤二中所划分的固体域网格导入瞬态结构分析模块Transient Structural，并在Mechanical Model中设置固体域材料的相关参数，在瞬态结构分析模块Transient Structural中设置固体域的边界条件；
S5：耦合计算
将瞬态结构分析模块Transient Structural与Fluent软件通过耦合系统模块System Coupling进行瞬态耦合计算；
S6：计算后处理
导出通过流固耦合计算得到的升力系数，采用Origin软件进行傅里叶变换，通过傅里叶变换得到流体的涡脱频率。
优选的，所述步骤一的建立模型具体为：
S1：根据实际的管道结构选取一种典型的蝶阀对阀门进行三维建模，从而获得阀门模型；
S2：算例选取阀门相对开度为100％进行计算，选取长度为5倍管径作为在阀门之前的管道，选取长度为10倍管径作为在阀门之后的管道，根据选取的管道，对模型的流体区域进行流道抽取，从而获得流道模型。
优选的，计算涡脱频率的步骤S3参数设置的具体设置为：
定义求解器；求解器类型采用基于压力求解器Pressure-Based Solver，通过压力修正算法对标量形式的控制方程进行求解，时间类型采用瞬态计算方式，求解器的速度方程采用相对速度处理，操作压力设为大气环境压力；
计算模型的选择；采用realizable k-ε湍流模型对流经阀门的流体湍流流动进行计算，材料根据阀门的实际情况进行选择；
边界条件的设置；进口采用速度进口，出口采用压力出口，进出口压力可根据阀门的实际工作情况来进行设定，将蝶板和管壁设置为光滑壁面，不考虑粗糙度的影响，并且均选用无滑移壁面边界条件。
求解方法的设置；压力与速度的耦合选用SIMPLE算法进行求解，体积单元中心变量的梯度由基于单元体的最小二乘法(Least Squares Cell Based)得到，压力项采用二阶格式进行空间离散，动量、湍流动能和湍流耗散率项则采用二阶迎风(Second OrderUpwind)格式进行离散。
求解设置；在控制变量中，压力项的亚松弛因子设置为0.3，动量的则为0.7，湍流动能和湍流耗散率的亚松弛因子设置为0.8，密度、体积力和湍流粘度的亚松弛因子均为1。各项的计算收敛精度均设置为10-5。
监测点设置；升力系数与流体漩涡脱落的频率有关，因此在计算涡脱频率时，在ANSYS-FLUENT中设置x、y、z三个方向上的升力系数监测点。
优选的，步骤1)中网格类型采用非结构网格，并且调整网格数量使其质量在0.3以上，步骤3)中材料属性包括密度、弹性模量、切变模量、泊松比。
优选的，所述步骤四中结果分析的具体操作为：通过步骤二和步骤三所计算得到的蝶板的固有频率和流过蝶板的涡脱频率两者进行比较，若两者的频率之差小于5％，则发生共振，反之则没有发生共振。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：一种采用流固耦合方法计算蝶板的固有频率和流过蝶板的涡脱频率，通过比较蝶板的固有频率和流过蝶板的卡门涡脱落频率来预测蝶阀振动，与传统的振动预测方法相比，本方法可以在不进行实验的情况下，仅通过数值模拟的方式来预测振动，降低了预测振动的成本，并且在实际工程的应用中，能进行复杂工况的振动预测。因此，该方法对蝶阀的振动预测具有便于执行、成本低廉、能进行复杂过程的蝶阀振动预测。
附图说明
图1为本发明的蝶阀振动预测的流程图；
图2为本发明的蝶阀流道模型图；
图3为本发明的流道网格划分图；
图4为本发明的阀板网格划分图；
图5为本发明的升力系数随时间变化图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，包括以下步骤：
步骤一：建立模型；建立模拟所需要的蝶阀模型，其阀门的公称直径为50mm进口管长250mm内径50mm，出口管长500mm内径50mm，设置阀门相对开度为100％，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；
步骤二：计算固有频率；为获得蝶板的固有频率，采用ANSYS Workbench进行相关设置后计算得到；其特征在于：方法步骤如下：
①网格划分；根据所建立的蝶阀模型，对蝶板进行网格划分，网格类型采用非结构网格，并且调整网格数量使其质量在0.3以上；
②导入模型；将符合要求的网格模型如图4所示，导入ANSYS Workbench软件中；
③固体域边界条件的耦合设置；蝶板材料选为Q345R，其密度为7.75kg/m3，弹性模量为223GPa，切变模量为85.8Gpa，泊松比为0.297；将蝶板与阀杆的接触面设置为固定支撑，以保证在计算时，蝶板的位置保持不变且使蝶板有一个确定的自由度；
④模拟计算；设置完成后点击Update进行计算；
⑤模态分析；计算完成后，点击静力分析模块Static Structural中的Model，在Static Structural选项中进行Analysis Settings设置Max Modes to Find为6阶模态，右击Solution在Insert选项中选择Deformation在选择Total进行模态分析，得到蝶板的固有频率。通过6阶模态分析得到的固有频率如下表所示：
Figure BDA0003222643020000061
步骤三：计算涡脱频率；采用ANSYS Workbench软件计算涡脱频率；其特征在于：方法步骤如下：
①网格划分；采用ICEM软件对步骤一获得的流道网格模型进行流体区域的网格划分，网格类型采用非结构网格，并且调整网格数量使其质量在0.3以上，保留网格质量较好且网格数较少的一套网格，网格模型如图3所示；
②导入模型；在ANSYS Workbench软件中，将流体域网格导入FLUENT模块中，同时通过Finite Element Modeler模块将步骤二中所划分的固体域网格导入瞬态结构分析模块Transient Structural，并在Mechanical Model中设置固体域材料的相关参数，在Transient Structural模块中设置固体域的边界条件，与步骤二中的固体域边界条件的耦合设置保持一致；
③参数设置；通过ANSYS Workbench软件中的FLUENT模块进入ANSYS-FLUENT，软件中进行流体域相关参数的设置，并且设置计算中所需要的升力系数监测点；
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求解器Pressure-Based Solver，通过压力修正算法对标量形式的控制方程进行求解，时间类型采用瞬态计算方式，求解器的速度方程采用相对速度处理，操作压力设为大气环境压力；；
S2：选择计算模型；采用realizable k-ε湍流模型对流经阀门的流体湍流流动进行计算，材料选择Water-liquid；
S3：设置边界条件；进口采用速度进口，出口采用压力出口，进出口压力可根据阀门的实际工作情况来进行设定，将蝶板和管壁设置为光滑壁面，不考虑粗糙度的影响，并且均选用无滑移壁面边界条件；
S4：求解方法设置；压力与速度的耦合选用SIMPLE算法进行求解，体积单元中心变量的梯度由基于单元体的最小二乘法(Least Squares Cell Based)得到，压力项采用二阶格式进行空间离散，动量、湍流动能和湍流耗散率项则采用二阶迎风(Second OrderUpwind)格式进行离散；
S5：求解设置；在控制变量中，压力项的亚松弛因子设置为0.3，动量的则为0.7，湍流动能和湍流耗散率的亚松弛因子设置为0.8，密度、体积力和湍流粘度的亚松弛因子均为1。各项的计算收敛精度均设置为10-5；
S6：监测点设置；升力系数与流体漩涡脱落的频率有关，因此在计算涡脱频率时，在ANSYS-FLUENT中设置x、y、z三个方向上的升力系数监测点；
④耦合计算；将瞬态结构分析模块Transient Structural与Fluent软件通过耦合系统模块System Coupling进行瞬态耦合计算，设置完成后点击Update进行计算；
⑤计算结果处理；计算完成后，在计算保存的文件夹中找到dp0中的FLU文件夹中Fluent文件中保存的升力系数的结果，将结果导入Origin软件中；
所述步骤⑤具体实施步骤如下：
S1：将升力系数与时间的关系进行作图，得到升力系数随时间呈现周期性变化，从而确定有涡的脱落，升力系数的变化如图5所示；
S2：将到的升力系数取一个平均值，将所有数减去平均值后，点击分析-信号处理-FFT(F)-FFT(F)进行傅里叶变换，从而得到涡脱频率。
步骤四：结果分析；通过计算得到的蝶板的固有频率和流过蝶板的涡脱频率两者进行比较，若两者的频率之差小于5％，则发生共振，反之则没有发生共振。通过计算得到的固有频率和涡脱频率如下表所示：
Figure BDA0003222643020000081
从上表可以看出，蝶板的固有频率和流过蝶板的涡脱频率之差大于5％，因此选择的此算例中蝶阀没有发生振动。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，采用流固耦合方法计算蝶板的固有频率和流过蝶板的涡脱频率，通过比较蝶板的固有频率和流过蝶板的卡门涡脱落频率来预测蝶阀振动，与传统的振动预测方法相比，本方法可以在不进行实验的情况下，仅通过数值模拟的方式来预测振动，降低了预测振动的成本，并且在实际工程的应用中，能进行复杂工况的振动预测。因此，该方法对蝶阀的振动预测具有便于执行、成本低廉、能进行复杂过程的蝶阀振动预测。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：建立模型
建立阀门模型以及与阀门对应的流道模型；
步骤二：计算固有频率
根据模态分析计算得到的结果进行模态分析，计算出阀门模型的固有频率；
步骤三：计算涡脱频率
计算出流道模型对应的流体的涡脱频率；
步骤四：结果分析
通过步骤二和步骤三中计算得出的固有频率和涡脱频率，用两者进行频率比对，通过两者的频率之差进行蝶阀的振动预测。
2.根据权利要求1所述的一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，其特征在于：所述阀门模型包括固体域模型和流体域模型。
3.根据权利要求2所述的一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，其特征在于：所述步骤二中计算固有频率的步骤为：
S1：计算前处理
设置对所述固体域的材料属性以及固体的边界条件；
S2：数值模拟计算
采用ANSYS Workbench软件，通过Modal模块对所述固体域进行模态分析计算；
S3：模态分析
根据模态分析计算得到的结果进行模态分析，从而得到固体域的固有频率。
4.根据权利要求3所述的一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，其特征在于：所述S1中包括以下步骤：
1)网格划分：
对固体域模型进行网格划分，保留网格质量在0.3以上且网格数300万左右的一套网格；
2)将网格导入Static Structural模块：
采用ANSYS Workbench软件中的Finite Element Modeler模块将ICEM软件所划分的固体域网格模型导入Static Structural模块；
3)固体域边界条件的耦合设置：采用ANSYS Workbench软件，在Static Structural模块中设置固体域的材料属性以及固体的边界条件。
5.根据权利要求2或3任意一项所述的一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，其特征在于：所述步骤三中计算涡脱频率的步骤为：
S1：网格划分
采用ICEM软件对步骤一获得的流道网格模型进行流体区域的网格划分，保留网格质量在0.3以上且网格数300万左右的一套网格；
S2：将网格导入FLUENT模块中
在ANSYS Workbench软件中，将流体域网格导入FLUENT模块中；
S3：参数设置
通过ANSYS Workbench软件中的FLUENT模块进入ANSYS-FLUENT，软件中进行流体域相关参数的设置，并且设置计算中所需要的升力系数监测点；
S4：耦合设置
在ANSYS Workbench软件中，通过Finite Element Modeler模块将步骤二中所划分的固体域网格导入瞬态结构分析模块Transient Structural，并在Mechanical Model中设置固体域材料的相关参数，在瞬态结构分析模块Transient Structural中设置固体域的边界条件；
S5：耦合计算
将瞬态结构分析模块Transient Structural与Fluent软件通过耦合系统模块SystemCoupling进行瞬态耦合计算；
S6：计算后处理
导出通过流固耦合计算得到的升力系数，采用Origin软件进行傅里叶变换，通过傅里叶变换得到流体的涡脱频率。
6.根据权利要求1或2任意一项所述的一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，其特征在于：所述步骤一的建立模型具体为：
S1：根据实际的管道结构选取一种典型的蝶阀对阀门进行三维建模，从而获得阀门模型；
S2：算例选取阀门相对开度为100％进行计算，选取长度为5倍管径作为在阀门之前的管道，选取长度为10倍管径作为在阀门之后的管道，根据选取的管道，对模型的流体区域进行流道抽取，从而获得流道模型。
7.根据权利要求5所述的一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，其特征在于：计算涡脱频率的步骤S3参数设置的具体设置为：
定义求解器；求解器类型采用基于压力求解器Pressure-Based Solver，通过压力修正算法对标量形式的控制方程进行求解，时间类型采用瞬态计算方式，求解器的速度方程采用相对速度处理，操作压力设为大气环境压力；
计算模型的选择；采用realizable k-ε湍流模型对流经阀门的流体湍流流动进行计算，材料根据阀门的实际情况进行选择；
边界条件的设置；进口采用速度进口，出口采用压力出口，进出口压力可根据阀门的实际工作情况来进行设定，将蝶板和管壁设置为光滑壁面，不考虑粗糙度的影响，并且均选用无滑移壁面边界条件；
求解方法的设置；压力与速度的耦合选用SIMPLE算法进行求解，体积单元中心变量的梯度由基于单元体的最小二乘法(Least Squares Cell Based)得到，压力项采用二阶格式进行空间离散，动量、湍流动能和湍流耗散率项则采用二阶迎风(Second Order Upwind)格式进行离散；
求解设置；在控制变量中，压力项的亚松弛因子设置为0.3，动量的则为0.7，湍流动能和湍流耗散率的亚松弛因子设置为0.8，密度、体积力和湍流粘度的亚松弛因子均为1，各项的计算收敛精度均设置为10-5；
监测点设置；升力系数与流体漩涡脱落的频率有关，因此在计算涡脱频率时，在ANSYS-FLUENT中设置x、y、z三个方向上的升力系数监测点。
8.根据权利要求4所述的一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，其特征在于：步骤1)中网格类型采用非结构网格，并且调整网格数量使其质量在0.3以上，步骤3)中材料属性包括密度、弹性模量、切变模量、泊松比。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的一种基于流固耦合分析的蝶阀振动预测方法，其特征在于：所述步骤四中结果分析的具体操作为：通过步骤二和步骤三所计算得到的蝶板的固有频率和流过蝶板的涡脱频率两者进行比较，若两者的频率之差小于5％，则发生共振，反之则没有发生共振。
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