CN114415748A - 考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法及估计系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法及估计系统。该计算方法通过对套筒调节阀进行数值模拟，得到不同阀门前后压差值和不同阀门相对开度值下的单向流阻力系数和两相流阻力系数，从而作为拟合数据对对套筒调节阀阻力系数换算公式进行拟合，得到用于根据单相流阻力系数计算两相流阻力系数的换算模型。本发明通过分析空化对阀门阻力系数的影响，建立了单相流阻力系数与两相流阻力系数的关系，利用该关系可更好地衡量管路系统中阀门有空化发生时的压力损失，由此可提高管路设计中阻力分配的合理性，进而提高经济效益。

Description

考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法及估计系统

技术领域

本发明涉及阀门领域，尤其涉及一种考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法及估计系统。

背景技术

调节阀在现代工业控制系统中主要起改变流量大小与介质方向的作用，为确保控制过程的准确平稳，往往需研究调节阀的流动特性。阻力系数是阀门流动特性研究中的重要内容，其用于衡量阀门的压力损失。当阀内不含空化流，阻力系数仅由阀门结构形式与阀门开度决定，其测取较为容易，但当阀内有空化发生时，空化会使套筒阀的流动特性发生较大变化，导致阻力系数难以测量。而在管路设计中通常需考虑阀门的压力损失，传统的管路设计在阻力分配时通常按照阀门不发生空化时的阻力进行分配，这通常存在较大误差。针对该问题，需要提出一种考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数计算方法，建立单相流阻力系数与两相流阻力系数的函数关系，实现两相流阻力系数的准确计算。从而可更好地衡量管路系统中阀门有空化发生时的压力损失，由此可提高管路设计中阻力分配的合理性，进而提高经济效益。

发明内容

本发明针对目前市面上缺少考虑空化影响的阀门阻力系数的理论计算方法，且工程实际应用中，阀门内有空化发生时，阻力系数难以通过试验直接测量得出。但阀内介质为严格单相流时，阻力系数仅与阀门结构型式与阀门开度相关，计算相对容易。因此，本发明拟建立单相流阻力系数和两相流阻力系数的换算关系，进而可通过测取阀门的单相流阻力系数获得相同开度、相同节流窗口数、相同流向条件下阀门的两相流阻力系数。

为实现上述目的，本发明拟采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，所述套筒调节阀内通过改变节流窗口的流通面积来调节阀门相对开度，其包括：

S1、针对待估计的目标套筒调节阀，在其阀门相对开度范围内通过均匀采样得到若干个阀门相对开度值；固定目标套筒调节阀的阀内介质流向和阀门前后压差，并针对每一个阀门相对开度值，对阀内介质为纯液相流时的阀门内部流场进行数值模拟，得到每一个阀门相对开度值下的阀门内部流场，进而计算出目标套筒调节阀在阀门相对开度范围内不同阀门相对开度值下的单相流阻力系数，作为第一数据集；

S2、针对待估计的目标套筒调节阀，在其阀门前后压差范围和阀门相对开度范围内通过均匀采样得到若干组不同的阀门前后压差值和阀门相对开度值的组合；固定目标套筒调节阀的阀内介质流向，并针对每一组阀门前后压差值和阀门相对开度值，对阀门出现空化工况下阀内介质为两相流时的阀门内部流场进行数值模拟，得到每一组阀门前后压差值和阀门相对开度值下的阀门内部流场，进而计算出目标套筒调节阀在阀门前后压差范围和阀门相对开度范围内不同阀门前后压差值和阀门相对开度值下的两相流阻力系数，作为第二数据集；

S3、以所述第一数据集和所述第二数据集为拟合数据，对套筒调节阀阻力系数换算公式进行拟合，得到用于根据单相流阻力系数ζ_1phase计算两相流阻力系数ζ_2phase的换算模型的拟合系数；

其中所述套筒调节阀阻力系数换算公式的形式为：

式中：ΔP表示阀门前后压差值，K表示阀门相对开度值，c₁、c₂、c₃、c₄分别为四个与节流窗口数量和阀内介质流向相关的拟合系数；

所述换算模型用于根据所确定的拟合系数，以目标套筒调节阀的任意一种待估计工况下的单相流阻力系数值、阀门相对开度值和阀门前后压差值作为输入，输出该待估计工况下目标套筒调节阀考虑空化影响的两相流阻力系数值。

作为优选，所述阀门前后压差范围和阀门相对开度范围均取目标套筒调节阀内会出现空化现象的参数范围。

作为优选，所述阀门前后压差范围为1.0～3.5Mpa。

作为优选，所述阀门相对开度范围为6％～36％。

作为优选，所述S1和S2中，在阀门相对开度范围内通过均匀采样得到的阀门相对开度值样本点完全相同。

作为优选，所述第一数据集和所述第二数据集在用于拟合前，需通过数据融合形成拟合样本；每一个拟合样本包含一组阀门前后压差值和阀门相对开度值下的两相流阻力系数和单相流阻力系数，其中单相流阻力系数对阀门相对开度敏感但对阀门前后压差不敏感，任一阀门相对开度值下不同阀门前后压差值对应的单相流阻力系数均采用对应阀门相对开度值下固定的阀门前后压差值对应的单相流阻力系数。

作为优选，所述S1和S2中，单相流阻力系数和双向流阻力系数均通过从对应的阀门内部流场中获取阀门入口的平均流速

后，结合阀门前后压差ΔP和水的密度ρ进行计算，计算公式为：

作为优选，所述S2中，对阀门出现空化工况下阀内介质为两相流时的阀门内部流场进行数值模拟时，结合均质平衡流模型与Zwart-Gerber-Belamri空化模型考虑空化的发生进行二次求解。从而获得阀门内部的气液两相流场。

作为优选，所述目标套筒调节阀中的节流窗口数量和阀内介质流向均可设置多种选择，对于每一种节流窗口数量和阀内介质流向条件下的目标套筒调节阀均可按照S1～S3确定换算模型的拟合系数，并建立换算模型拟合系数的查找表。

第二方面，本发明提供了一种考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计系统，其包括：

系数存储模块，用于存储目标套筒调节阀在不同节流窗口数量和不同阀内介质流向条件下的换算模型拟合系数表，且所述换算模型拟合系数表中每一种节流窗口数量和每一种阀内介质流向条件下的换算模型拟合系数均按照权利要求1～9任一所述的套筒调节阀阻力系数估计方法确定；

阀门参数指定模块，用于指定待估计的目标套筒调节阀的节流窗口数量、阀内介质流向，以及待估计工况下的单相流阻力系数值、阀门相对开度值和阀门前后压差值；

阻力系数估计模块，用于根据所述阀参数指定模块中指定的节流窗口数量和阀内介质流向，从所述系数存储模块中查询对应的换算模型拟合系数进而构建换算模型，并将所述阀参数指定模块中指定的待估计工况下的单相流阻力系数值、阀门相对开度值和阀门前后压差值输入构建的换算模型中，输出该待估计工况下目标套筒调节阀考虑空化影响的两相流阻力系数值。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明提供了一种考虑空化影响的节流窗口式套筒调节阀阻力系数估计方法，该方法巧妙地将单相流阻力系数与两相流阻力系数的偏差表示为阀门开度与阀门压差的函数，进而提出了含空化影响的套筒调节阀阻力系数经验公式，进而拟合得到了用于根据单相流阻力系数计算两相流阻力系数的换算模型。该估计方法针对性强，计算便捷，准确性高，经验证其估计误差仅有2.02％。

(2)本发明提供的考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数计算方法，可运用在管路设计中，减小管路设计阻力分配的误差，提高管路设计的合理性与经济效益。

附图说明

为使本发明的内容更容易被理解，下面结合附图和实施案例对本发明作进一步详细说明，其中：

图1为实施例中考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法的流程示意图。

图2为实施例中所用节流窗口式套筒调节阀剖面图。

图3为实施例中四种不同节流窗口数的套筒示意图。

图中：1、套筒；2、节流窗口；3、阀座；4、阀体；5、阀盖；6、阀杆；7、阀芯。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

本发明中的套筒调节阀是指节流窗口式套筒调节阀，阀内通过改变节流窗口的流通面积来调节阀门相对开度。由于实际工程应用中套筒调节阀的空化效应是无法完全避免的，阀内流体在出现空化效应时是一种气液两相流，其阻力系数与阀内介质为严格单相流时的阻力系数不同。因此，为了在管路系统设计时，能够在考虑空化影响下进行更科学的阻力分配，需要准确估计考虑空化影响的阀门内两相流阻力系数。阀内介质为严格单相流时的阻力系数仅与阀门结构型式与阀门相对开度相关，可以通过相关公式进行准确便捷地计算，因此本发明拟建立单相流阻力系数和两相流阻力系数的换算模型，进而可通过阀门的单相流阻力系数换算获得两相流阻力系数。

为了实现单相流阻力系数和两相流阻力系数之间的换算，本发明首先需要建立两者之间的换算公式。在阐述本发明的具体技术方案之前，下面首先对于单相流阻力系数和两相流阻力系数之间的换算公式推导过程进行描述：

首先，定义阻力系数的空化影响因子，用于反映单相流阻力系数与两相流阻力系数的偏差。阻力系数的空化影响因子计算公式为：

式中：ζ_2phase为阀门的两相流阻力系数；ζ_1phase为阀门的单相流阻力系数；下标N_tw为节流窗口数。

然后，分析阻力系数空化影响因子的影响因素，建立阻力系数空化影响因子与阀门压差、阀门开度的函数关系，得到的函数关系公式为：

Eζ＝c₁+c₂·(L/L_max)+c₃·(L/L_max)²+c₄·(ΔP)^-1

式中：c₁、c₂、c₃、c₄分别为四个与节流窗口数量和阀内介质流向相关的拟合系数，L为节流窗的实际开启行程，L_max为节流窗的最大开启行程，L/L_max代表了阀门相对开度，为了便于描述用K表示阀门相对开度。

最后，将已建立的阻力系数空化影响因子与阀门压差、阀门开度的函数关系代入阻力系数空化影响因子定义式，移项获得考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数换算公式，具体公式为：

基于上述推导得到的套筒调节阀阻力系数换算公式，下面具体陈述本发明中套筒调节阀阻力系数估计方法的具体实现方式。

作为本发明的一种较佳实现方式，提供了一种考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，该估计方法可以针对一个特定的套筒调节阀(本发明中称为目标套筒调节阀)建立单相流阻力系数与两相流阻力系数之间的换算模型，从而实现阀门的单相流阻力系数于两相流阻力系数的换算。

需注意的是，阀门的单相流阻力系数与阀门相对开度、节流窗口和阀内介质流向有关，而对于特定的一个阀门而言，其在使用工况下的节流窗口和阀内介质流向是固定的，因此节流窗口和阀内介质流向无需作为换算模型的变量，但阀门相对开度需要作为换算模型的变量。

上述考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法的具体步骤如S1～S3所示，下面对S1～S3的具体实现步骤进行详细描述：

S1、针对待估计的目标套筒调节阀，在其阀门相对开度范围内通过均匀采样得到若干个阀门相对开度值。然后，固定目标套筒调节阀的阀内介质流向和阀门前后压差，并针对每一个阀门相对开度值，对阀内介质为纯液相流时的阀门内部流场进行数值模拟，得到每一个阀门相对开度值下的阀门内部流场，进而计算出目标套筒调节阀在阀门相对开度范围内不同阀门相对开度值下的单相流阻力系数，作为第一数据集。

在该步骤中，对于不同阀门相对开度值的阀门内部流场数值模拟而言，其阀内介质流向和阀门前后压差都是固定的。其中阀内介质流向可以根据目标套筒调节阀在使用工况下的介质流向确定。另外，阀门前后压差可以任意在该目标套筒调节阀的阀门前后压差变化范围内任选一个值进行固定，这是因为单相流阻力系数对于阀门前后压差并不敏感，因此对于任意一种阀门相对开度值，仅需要按照固定的阀门前后压差值计算一个单相流阻力系数值即可，该单相流阻力系数值也适用于同一阀门相对开度值对应的其他阀门前后压差下的工况。

在该步骤中，数值模拟可以在流体力学模拟软件中实现，具体的流体力学模拟软件不限，可采用例如Ansys Fluent等实现。针对每一个阀门相对开度值进行数值模拟后即可得到对应的阀门内部流场，根据阀门内部流场即可确定阀门入口的平均流速，进而换算该阀门相对开度值下的单相流阻力系数，单相流阻力系数的计算公式如下：

式中：ΔP为阀门前后压差(MPa)；ρ为水的密度(kg/m3)；

为阀门入口的平均流速(m/s)。

S2、针对待估计的目标套筒调节阀，在其阀门前后压差范围和阀门相对开度范围内通过均匀采样得到若干组不同的阀门前后压差值和阀门相对开度值的组合。然后，固定目标套筒调节阀的阀内介质流向，并针对每一组阀门前后压差值和阀门相对开度值，对阀门出现空化工况下阀内介质为两相流时的阀门内部流场进行数值模拟，得到每一组阀门前后压差值和阀门相对开度值下的阀门内部流场，进而计算出目标套筒调节阀在阀门前后压差范围和阀门相对开度范围内不同阀门前后压差值和阀门相对开度值下的两相流阻力系数，作为第二数据集。

在该步骤中，与S1中固定阀门前后压差而仅对阀门相对开度进行均匀采样不同的是，此处的均匀采样的变量同时包含了阀门前后压差和阀门相对开度，因此其得到的是不同阀门前后压差值和不同阀门相对开度值的组合。也就是说，两相流阻力系数与阀门前后压差和阀门相对开度均敏感，因此在对空化效应影响下的阀门进行数值模拟时，需要模拟不同阀门前后压差值和阀门相对开度值组合条件下的两相流阻力系数。同样的，本步骤中阀内介质流向也可以根据目标套筒调节阀在使用工况下的介质流向确定，与S1中保持一致。

在该步骤中，数值模拟同样可以在流体力学模拟软件中实现，与步骤S1中保持一致。同样的，针对每一组阀门相对开度值和阀门相对开度进行数值模拟后即可得到对应的阀门内部流场，根据阀门内部流场即可确定阀门入口的平均流速，进而换算该阀门相对开度值下的两相流阻力系数，两相流阻力系数的计算公式也与单相流阻力系数一致。

另外，在该步骤中，对阀门出现空化工况下阀内介质为两相流时的阀门内部流场进行数值模拟时，可以在流体力学模拟软件中，结合均质平衡流模型与Zwart-Gerber-Belamri空化模型考虑空化的发生进行二次求解，从而获得阀门内部的气液两相流场。

S3、以前述的第一数据集和第二数据集为拟合数据，对套筒调节阀阻力系数换算公式进行拟合，得到用于根据单相流阻力系数ζ_1phase计算两相流阻力系数ζ_2phase的换算模型的拟合系数。

本发明中，套筒调节阀阻力系数换算公式的形式为：

式中：ΔP表示阀门前后压差值，K表示阀门相对开度值，c₁、c₂、c₃、c₄分别为四个与节流窗口数量和阀内介质流向相关的拟合系数。

需要注意的是，为了实现对上述套筒调节阀阻力系数换算公式的拟合，在将上述第一数据集和第二数据集用于拟合前，将两者处理成一系列拟合样本。但是前述两相流阻力系数是在不同阀门前后压差值和阀门相对开度值下获得的，而单相流阻力系数却是仅在不同阀门相对开度值下获得的，因此拟合过程中需要将第一数据集和第二数据集进行数据融合，融合后的每一个拟合样本包含一组阀门前后压差值和阀门相对开度值下的两相流阻力系数和单相流阻力系数。数据融合过程中，由于单相流阻力系数对阀门相对开度敏感但对阀门前后压差不敏感，任一阀门相对开度值K_i下不同阀门前后压差值对应的单相流阻力系数均采用对应这个阀门相对开度值K_i下固定的阀门前后压差值对应的单相流阻力系数。

因此，为了便于进行上述数据融合，S1和S2在执行时，最好保持在阀门相对开度范围内通过均匀采样得到的阀门相对开度值样本点完全相同。

另外，在进行S1和S2中的数值模拟时，其需要进行均匀采样的阀门前后压差范围和阀门相对开度范围最好取目标套筒调节阀内会出现空化现象的参数范围。在本发明中，可参考套筒调节阀工程实际应用中易发生空化的工况，将阀门前后压差范围可设置为1.0～3.5Mpa，阀门相对开度范围可设置为6％～36％。

当针对目标套筒调节阀得到换算模型后，即可代入S3中拟合得到的拟合系数，用于进行两相流阻力系数值的估计。在具体进行估计时，可以目标套筒调节阀的任意一种待估计工况下的单相流阻力系数值、阀门相对开度值和阀门前后压差值作为输入，由换算模型输出该待估计工况下目标套筒调节阀考虑空化影响的两相流阻力系数值。

另外，需要说明的是，上述S1～S3步骤，可以针对一种固定了节流窗口数量和阀内介质流向条件的目标套筒调节阀，确定适用于这种目标套筒调节阀的换算模型的拟合系数。但是同一种目标套筒调节阀可能存在不同的节流窗口数量，在不同管路中应用时也可能存在不同的阀内介质流向，因此对于任意一种目标套筒调节阀的节流窗口数量和阀内介质流向，均可以按照上述S1～S3步骤确定适用的换算模型的拟合系数。

因此，作为另一种较佳实现方式，目标套筒调节阀中的节流窗口数量和阀内介质流向均可按照其常见规格和工况设置多种选择，对于每一种节流窗口数量和阀内介质流向条件下的目标套筒调节阀均可按照S1～S3确定换算模型的拟合系数，并建立不同节流窗口数量和阀内介质流向下的换算模型拟合系数的查找表。后续用户可以无需进行S1～S3的数值模拟和拟合，直接从查找表中根据所需要的节流窗口数量和阀内介质流向确定对应适用的换算模型拟合系数，然后根据该拟合系数下的换算模型直接进行单相流阻力系数和两相流阻力系数间的换算。

作为另一种较佳实现方式，本发明还可以提供一种考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计系统，其包括：

系数存储模块，用于存储目标套筒调节阀在不同节流窗口数量和不同阀内介质流向条件下的换算模型拟合系数表，且前述换算模型拟合系数表中每一种节流窗口数量和每一种阀内介质流向条件下的换算模型拟合系数均按照前述套筒调节阀阻力系数估计方法确定，即按照S1～S3进行数值模拟和拟合后确定。该换算模型拟合系数表可以直接存储在存储介质上，以便于后续调用。

阀门参数指定模块，用于供用户指定待估计的目标套筒调节阀的节流窗口数量、阀内介质流向，以及待估计工况下的单相流阻力系数值、阀门相对开度值和阀门前后压差值。

阻力系数估计模块，用于根据前述阀参数指定模块中指定的节流窗口数量和阀内介质流向，从前述系数存储模块中查询对应的换算模型拟合系数进而构建换算模型，并将前述阀参数指定模块中指定的待估计工况下的单相流阻力系数值、阀门相对开度值和阀门前后压差值输入构建的换算模型中，输出该待估计工况下目标套筒调节阀考虑空化影响的两相流阻力系数值。

需要说明的是，上述考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计系统中的系数存储模块、阀门参数指定模块、阻力系数估计模块的具体实现功能可以通过编写的计算机软件程序来实现，计算机程序中包含用于执行相应方法的程序代码。上述阀门参数指定模块和阻力系数估计模块可以通过设置GUI界面来供用户指定或输入相应的不同参数，同时展示最终的两相流阻力系数值计算结果。

下面基于上述S1～S3所示的考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，将其应用于一个具体的实例中，以展示其具体的实现过程和技术效果。

实施例

本实施例中，将前述考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，用于构建不同节流窗口数量和不同阀内介质流向下的套筒调节阀的换算模型，形成前述的查找表。结合图1所示，下面描述具体实现流程：

在本实施例中，以进出口通径均为50mm的节流窗口式套筒调节阀为估计对象，阀门的主要零部件包括阀体4、阀盖5、阀芯7、阀座3、套筒1与阀杆6，其结构如图2所示。阀门的流量调节方式为阀芯7通过阀座3中心线方向的运动改变阀门流通面积。为排除数据的偶然性，分别设计了节流窗口2数量分别为2、4、6、8的4款套筒1，如图3所示。各节流窗口2均沿周向均匀布置，节流窗口2形状均为矩形且高度一致，高度均为30mm，通过等流通面积换算得到不同节流窗口数的套筒1所对应的节流窗口宽度，节流窗口数为2、4、6、8的套筒1对应的节流窗口宽度分别为19.6350mm、9.8175mm、6.5450mm、4.9088mm。

参考套筒调节阀工程实际应用中易发生空化的工况，本发明中设定阀门后压力为0.5MPa，阀前压力为1.5～4.0MPa，即数值模拟时阀门前后压差的变化范围为1.0～3.5MPa，阀门相对开度变化范围为6％～36％。本实施例中进行数值模拟所用的流体力学软件均为Ansys Fluent。

第一步：按照前述S1步骤计算目标套筒调节阀在阀门相对开度范围内不同阀门相对开度值下的单相流阻力系数，构建第一数据集。具体而言，利用数值模拟分别计算不同节流窗口数、阀门前后压差固定为0.05MPa、不同阀门相对开度、介质流向为低进高出和高进低出时，阀内为单相流的套筒调节阀的阻力系数。均匀采样时阀门相对开度间隔取6％。计算过程中，参照套筒调节阀的实际运行条件，设定阀内的工作介质为140℃的液态高温水，其密度与动力粘度分别为926.1kg/m³与1.965×10^-4Pa·s，其饱和蒸汽压力为0.36MPa。饱和水蒸气的密度与动力粘度分别为1.966kg/m³与1.365×10^-5Pa·s。计算完成后，判断各工况下流场的最低压力均大于饱和蒸汽压力以确保阀内为严格单相流。

第二步：按照前述S1步骤计算出目标套筒调节阀在阀门前后压差范围和阀门相对开度范围内不同阀门前后压差值和阀门相对开度值下的两相流阻力系数，作为第二数据集。具体而言，本实施例在计算两相流工况下阀门的阻力系数时，为了加速并促进空化流计算过程的收敛，需以S1中所得的纯液相流作为初场，改变阀门前后压差为1～3.5MPa，而均匀采样时所用的阀门前后压差与阀门相对开度的参数间隔分别取为0.5MPa和6％。接着在Ansys Fluent中，结合均质平衡流模型与Zwart-Gerber-Belamri空化模型考虑空化的发生进行二次求解。数值模拟计算过程中的收敛判据为：①各残差曲线均低于1×10^-7；②阀门出口流量、阀门出口面中心速度及阀内蒸汽相体积变化率小于1％。计算过程中空化的发生以蒸汽相体积大于0.5作为判断标准。

本实施例中，在前述两步骤中，单相流阻力系数和双向流阻力系数均通过从对应的阀门内部流场中获取阀门入口的平均流速

后，结合阀门前后压差ΔP和水的密度ρ进行计算，阻力系数的计算公式为：

第三步：按照前述S3步骤对第一数据集和所述第二数据集进行数据融合后构成一系列拟合样本组成的拟合数据，对套筒调节阀阻力系数换算公式进行拟合，得到用于根据单相流阻力系数ζ_1phase计算两相流阻力系数ζ_2phase的换算模型的拟合系数。

套筒调节阀阻力系数换算公式的形式为：

式中：ΔP表示阀门前后压差值，K表示阀门相对开度值，c₁、c₂、c₃、c₄分别为四个与节流窗口数量和阀内介质流向相关的拟合系数；

由此，本实施例中对于四种节流窗口数量和两种不同的阀内介质流向，可以拟合得到8个具有不同拟合系数的换算模型。对这8个换算模型的换算准确性进行验证，比较两相流阻力系数的公式拟合值与原始计算值后发现最大拟合误差为2.02％。此误差在工程实际应用中通常可以忽略，通过此公式即可利用低压单相流工况下测取的套筒调节阀的阻力系数，获得高压两相流工况下套筒调节阀的阻力系数。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，所述套筒调节阀内通过改变节流窗口的流通面积来调节阀门相对开度，其特征在于，包括：

S1、针对待估计的目标套筒调节阀，在其阀门相对开度范围内通过均匀采样得到若干个阀门相对开度值；固定目标套筒调节阀的阀内介质流向和阀门前后压差，并针对每一个阀门相对开度值，对阀内介质为纯液相流时的阀门内部流场进行数值模拟，得到每一个阀门相对开度值下的阀门内部流场，进而计算出目标套筒调节阀在阀门相对开度范围内不同阀门相对开度值下的单相流阻力系数，作为第一数据集；

S2、针对待估计的目标套筒调节阀，在其阀门前后压差范围和阀门相对开度范围内通过均匀采样得到若干组不同的阀门前后压差值和阀门相对开度值的组合；固定目标套筒调节阀的阀内介质流向，并针对每一组阀门前后压差值和阀门相对开度值，对阀门出现空化工况下阀内介质为两相流时的阀门内部流场进行数值模拟，得到每一组阀门前后压差值和阀门相对开度值下的阀门内部流场，进而计算出目标套筒调节阀在阀门前后压差范围和阀门相对开度范围内不同阀门前后压差值和阀门相对开度值下的两相流阻力系数，作为第二数据集；

S3、以所述第一数据集和所述第二数据集为拟合数据，对套筒调节阀阻力系数换算公式进行拟合，得到用于根据单相流阻力系数ζ_1phase计算两相流阻力系数ζ_2phase的换算模型的拟合系数；

其中所述套筒调节阀阻力系数换算公式的形式为：

式中：ΔP表示阀门前后压差值，K表示阀门相对开度值，c₁、c₂、c₃、c₄分别为四个与节流窗口数量和阀内介质流向相关的拟合系数；

所述换算模型用于根据所确定的拟合系数，以目标套筒调节阀的任意一种待估计工况下的单相流阻力系数值、阀门相对开度值和阀门前后压差值作为输入，输出该待估计工况下目标套筒调节阀考虑空化影响的两相流阻力系数值。

2.如权利要求1所述的考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，其特征在于，所述阀门前后压差范围和阀门相对开度范围均取目标套筒调节阀内会出现空化现象的参数范围。

3.如权利要求1所述的考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，其特征在于，所述阀门前后压差范围为1.0～3.5Mpa。

4.如权利要求1所述的考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，其特征在于，所述阀门相对开度范围为6％～36％。

5.如权利要求1所述的考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，其特征在于，所述S1和S2中，在阀门相对开度范围内通过均匀采样得到的阀门相对开度值样本点完全相同。

6.如权利要求1所述的考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，其特征在于，所述第一数据集和所述第二数据集在用于拟合前，需通过数据融合形成拟合样本；每一个拟合样本包含一组阀门前后压差值和阀门相对开度值下的两相流阻力系数和单相流阻力系数，其中单相流阻力系数对阀门相对开度敏感但对阀门前后压差不敏感，任一阀门相对开度值下不同阀门前后压差值对应的单相流阻力系数均采用对应阀门相对开度值下固定的阀门前后压差值对应的单相流阻力系数。

7.如权利要求1所述的考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，其特征在于，所述S1和S2中，单相流阻力系数和双向流阻力系数均通过从对应的阀门内部流场中获取阀门入口的平均流速

后，结合阀门前后压差ΔP和水的密度ρ进行计算，计算公式为：

8.如权利要求1所述的考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，其特征在于，所述S2中，对阀门出现空化工况下阀内介质为两相流时的阀门内部流场进行数值模拟时，结合均质平衡流模型与Zwart-Gerber-Belamri空化模型考虑空化的发生进行二次求解。从而获得阀门内部的气液两相流场。

9.如权利要求1所述的考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计方法，其特征在于，所述目标套筒调节阀中的节流窗口数量和阀内介质流向均可设置多种选择，对于每一种节流窗口数量和阀内介质流向条件下的目标套筒调节阀均可按照S1～S3确定换算模型的拟合系数，并建立换算模型拟合系数的查找表。

10.一种考虑空化影响的套筒调节阀阻力系数估计系统，其特征在于，包括：

系数存储模块，用于存储目标套筒调节阀在不同节流窗口数量和不同阀内介质流向条件下的换算模型拟合系数表，且所述换算模型拟合系数表中每一种节流窗口数量和每一种阀内介质流向条件下的换算模型拟合系数均按照权利要求1～9任一所述的套筒调节阀阻力系数估计方法确定；

阀门参数指定模块，用于指定待估计的目标套筒调节阀的节流窗口数量、阀内介质流向，以及待估计工况下的单相流阻力系数值、阀门相对开度值和阀门前后压差值；

阻力系数估计模块，用于根据所述阀参数指定模块中指定的节流窗口数量和阀内介质流向，从所述系数存储模块中查询对应的换算模型拟合系数进而构建换算模型，并将所述阀参数指定模块中指定的待估计工况下的单相流阻力系数值、阀门相对开度值和阀门前后压差值输入构建的换算模型中，输出该待估计工况下目标套筒调节阀考虑空化影响的两相流阻力系数值。

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