一種基于cfd的閥門當(dāng)量長度計算方法
【專利摘要】一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，包括以下步驟：建立閥門的三維裝配體模型，在閥體模型進(jìn)出口處加延長段后，將其導(dǎo)入CFD軟件，利用CFD軟件模擬計算出多個工況的壓力值并計算出相應(yīng)的壓力差值；根據(jù)所述壓力差值，通過公式分別計算出多個流量系數(shù)值，再計算出平均流量系數(shù)值；再通過公式計算出閥門的當(dāng)量長度值；本方法采用CFD技術(shù)仿真模擬來得到閥門的流通性能數(shù)據(jù)，只需要在開發(fā)初期虛擬樣機(jī)階段使用圖紙就可以完成，避免了現(xiàn)有技術(shù)中為了檢測閥門的流通性能，必須將閥門制造出來并進(jìn)行試驗測量，造成浪費人力物力，還延長了研發(fā)周期，所以本方法大大提高了開發(fā)效率，節(jié)約了成本。
【專利說明】—種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種閥門流通能力的計算方法，具體地說為一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]閥門的當(dāng)量長度(L/D)是衡量閥門流通能力的一個重要參數(shù)，用來表征流體通過閥門時的壓力損失，其數(shù)值越小說明流體通過閥門的壓力損失越小，閥門的流通能力就越好。
[0003]但是目前，閥門的當(dāng)量長度(L/D)計算主要還利用流阻試驗方法，如中國專利文獻(xiàn)CN103076048A中公開了一種閥門流量的測量方法，包括以下步驟:A、測量流量系數(shù):測量閥門在各個開度時的流量系數(shù)，將各個開度時的流量系數(shù)記錄；B、測量壓差:測量閥門前、后端的壓差；C、計算流量:利用公式計算流量，Q為當(dāng)前閥門開度的閥門流量、KV為當(dāng)前閥門開度的流量系數(shù)、ΛΡ為當(dāng)前閥門開度的閥門前端與后端之間的壓差。該方法中所述的步驟B中采用普通的測壓儀對閥門的前端和后端分別進(jìn)行測量，得到閥門前、后端的壓差。它解決了現(xiàn)有流量測量裝置適用性不高、無法適用于閥門的流量測量的問題。
[0004]這種方法主要是依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗或簡單公式進(jìn)行圖紙設(shè)計后，隨即生產(chǎn)出樣機(jī)進(jìn)行流阻試驗，獲得閥門進(jìn)出口的壓力差，然后通過公式進(jìn)行當(dāng)量長度的計算；這種方法無法在設(shè)計初期即樣機(jī)生產(chǎn)之前獲得當(dāng)量長度值，試制樣機(jī)進(jìn)行流阻試驗后，才能發(fā)現(xiàn)所設(shè)計樣機(jī)是否滿足閥門流通性能要求，當(dāng)不能滿足要求時，必須重新設(shè)計修改，試制更新零件，再裝配樣機(jī)重復(fù)試驗，從而帶來后期的試驗成本增加，浪費大量的人力物力；同時，閥門的類型、結(jié)構(gòu)型式和尺寸各異，品種繁多，通過試驗方法對每一規(guī)格閥門進(jìn)行測量計算，這樣無形之間增長了產(chǎn)品的開發(fā)周期，增加了開發(fā)成本，降低了企業(yè)的市場競爭力。
[0005]隨著計算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，閥門的流通能力已經(jīng)可以通過CFD軟件來模擬計算，CFD軟件(Computational Fluid Dynamics),即計算流體動力學(xué)，簡稱CFD,它以電子計算機(jī)為工具，應(yīng)用各種離散化的數(shù)學(xué)方法，對流體力學(xué)的各類問題進(jìn)行數(shù)值實驗、計算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實際問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為此，本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)中采用試驗方法計算閥門當(dāng)量長度，效率低造成的開發(fā)周期長和開發(fā)成本高的問題，從而提出一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，在設(shè)計初期通過CFD模擬計算方法計算閥門當(dāng)量長度，提高開發(fā)效率，節(jié)約成本。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法采用以下方案:
[0008]一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，包括以下步驟:
[0009](I)建立閥門的三維裝配體模型，并在閥體進(jìn)出口處加延長段；
[0010](2)將三維裝配體模型導(dǎo)入CFD軟件，生成流道模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在流道模型進(jìn)口設(shè)置多個體積流量邊界條件，出口壓力設(shè)置為O，分別模擬計算出相應(yīng)的多個進(jìn)口的壓力值，并計算出相應(yīng)的多個進(jìn)出口壓力差值；
[0011](3)根據(jù)所述壓力差值，通過公式分別計算出多個流量系數(shù)值，再計算出平均流量系數(shù)值；
[0012](4)根據(jù)前面計算所得的平均流量系數(shù)值，通過公式計算出閥門的當(dāng)量長度值。
[0013]所述步驟(1)具體為:進(jìn)口前加長度為3-5倍流道直徑的延長段，出口后加長度為6-10倍流道直徑的延長段。
[0014]在所述步驟(1)中還包括建立閥門的三維裝配體模型時，除去不影響流道生成且與流體介質(zhì)不直接接觸的部件和不影響計算結(jié)果的細(xì)小零部件，僅建立流道封閉的三維模型。
[0015]所述步驟(2 )還包括，設(shè)置體積流量邊界條件時，對應(yīng)的進(jìn)口體積流量值依據(jù)具體的閥門的公稱通徑在相應(yīng)的范圍內(nèi)等差選取。
[0016]設(shè)置體積流量邊界條件時，要保證入口流速在速度為3-8m/s，保證產(chǎn)生完全紊流，最小雷諾數(shù)不小于4X104。
[0017]所述步驟(2)具體為:設(shè)置體積流量邊界條件時，設(shè)置三到七種工況。
[0018]所述步驟(2)中模擬計算出相應(yīng)的壓力值并計算出壓力差值的步驟具體為:在CFD軟件中，將流體設(shè)定為不可壓縮流體，選取κ-ε湍流模型，將分析方式設(shè)定為穩(wěn)態(tài)分析，利用自動收斂準(zhǔn)則決 定迭代終止，求解步數(shù)設(shè)為1000次，然后對多個工況分別進(jìn)行求解，獲得流體速度及壓力分布云圖，通過數(shù)據(jù)提取獲得對應(yīng)于每個工況的閥門進(jìn)出口壓力差值。
[0019]所述步驟(3)具體為:依據(jù)壓力差值采用以下公式計算出流量系數(shù)值Cv，
[0020]Cr = 1.167x10x0 X ▽/?/△/)




J
[0021]其中:Q為體積流量，單位m3/h ； P為水的相對密度(取P =1) ; ΛΡ為壓力差值；
[0022]再計算出多個工況的流量系數(shù)值Cv的平均流量系數(shù)值Cvavg
[0023]所述步驟(4)具體為:依據(jù)以下公式計算出閥門的當(dāng)量長度L/D，L/D =
2.175X10_3Xd4/(fT.Cvavg),
[0024]其中:CVavg為平均流量系數(shù)值，d為閥門壓力等級對應(yīng)規(guī)格管道的內(nèi)徑，&為Scheduled潔凈鋼管在完全紊流下的摩擦阻力系數(shù)，L/D為閥門當(dāng)量長度。
[0025]還包括由計算所得的當(dāng)量長度值與技術(shù)要求的限值進(jìn)行比較，當(dāng)計算所得當(dāng)量長度大于限值時，則根據(jù)流體分析結(jié)果進(jìn)行流道優(yōu)化設(shè)計，再重復(fù)上述步驟進(jìn)行當(dāng)量長度計算，直到得出不大于限值的當(dāng)量長度值。
[0026]本發(fā)明的上述技術(shù)方案相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點:
[0027](I)本發(fā)明所述的一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，包括以下步驟:建立閥門的三維裝配體模型，并在閥體進(jìn)出口處加延長段；將三維裝配體模型導(dǎo)入CFD軟件，生成流道模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在流道模型進(jìn)口設(shè)置多個體積流量邊界條件，出口壓力設(shè)置為0，分別模擬計算出相應(yīng)的壓力值并計算出多個壓力差值；根據(jù)所述壓力差值，通過公式分別計算出多個流量系數(shù)值，再計算出平均流量系數(shù)值；根據(jù)前面計算所得的平均流量系數(shù)值，計算出閥門的當(dāng)量長度值；本方法采用CFD技術(shù)仿真模擬的方式來得到閥門的數(shù)據(jù)，通過多次模擬不同流量環(huán)境，獲得一個相對準(zhǔn)確的流量系數(shù)值，然后通過公式即可計算得到當(dāng)量長度值；此方法只需要在開發(fā)初期使用圖紙就可以完成，避免了現(xiàn)有技術(shù)中為了檢測閥門的流通性能，必須將閥門制造出來并進(jìn)行測量，造成浪費人力物力，還延長了研發(fā)周期，所以本方法大大提高了開發(fā)效率，節(jié)約成本。
[0028](2 )本發(fā)明所述的一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，進(jìn)口前加長度為3-5倍流道直徑的延長段，出口后加長度為6-10倍流道直徑的延長段；所加的延長段能讓流體介質(zhì)得到充分發(fā)展，測點能夠達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，并使計算穩(wěn)定。
[0029](3)本發(fā)明所述的一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，還包括建立閥門的三維裝配體模型時，除去不影響流道生成且與流體介質(zhì)不直接接觸的部件和不影響計算結(jié)果的細(xì)小零部件，僅建立流道封閉的三維模型，除去這些不必要的部件以避免給測量帶來影響，可以提高測量精度，并且能夠簡化分析過程。
[0030](4)本發(fā)明所述的一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，還包括由計算所得的當(dāng)量長度值與技術(shù)要求的限值進(jìn)行比較，當(dāng)計算所得當(dāng)量長度大于限值時，則根據(jù)流體分析結(jié)果進(jìn)行流道優(yōu)化設(shè)計，再重復(fù)上述步驟進(jìn)行當(dāng)量長度計算，直到得出不大于限值的當(dāng)量長度值為止，可以判斷閥門的流通性能是否滿足設(shè)計要求，預(yù)測潛在的風(fēng)險，并可根據(jù)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這樣不但能減少樣機(jī)試制成本和節(jié)省樣機(jī)試驗的成本，而且能縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]為了使本發(fā)明的內(nèi)容更容易被清楚的理解，下面根據(jù)本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，其中
[0032]圖1是本發(fā)明所述的一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法的流程圖；
[0033]圖2是本發(fā)明一個具體實施例的流道圖；
[0034]圖3是本發(fā)明一個具體實施例的三維裝配體模型圖；
[0035]圖4是本發(fā)明一個具體實施例的處理后的三維模型圖；
[0036]圖5是本發(fā)明一個具體實施例中的工況二的流速分布云圖；
[0037]圖6是本發(fā)明一個具體實施例中的工況二的壓力分布云圖。
【具體實施方式】
[0038]下面提供本發(fā)明所述的一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法的【具體實施方式】。
[0039]實施例1
[0040]本發(fā)明所述的一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，如圖1所示，包括以下步驟:建立閥門的三維裝配體模型,本方法優(yōu)選的采用三維軟件SolidWorks建立閥門的三維裝配體模型，如圖2為一具體實施例的閥門三維裝配體模型；為簡化分析計算過程，在不影響分析結(jié)果的前提下，除去不影響流道生成且與流體介質(zhì)不直接接觸的部件，以及不影響計算結(jié)果的細(xì)小零部件，僅建立流道封閉的三維模型。同時為了讓流體介質(zhì)得到充分發(fā)展，測點能夠達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，并使計算穩(wěn)定，需要在閥體進(jìn)出口處加延長段，進(jìn)口前加長度為3倍流道直徑的延長段，出口后加長度為6倍流道直徑的延長段，作為其他可以變換的實施方式，進(jìn)口前端還可以選擇3-5倍的延長段，出口后還可以選擇6-10倍的延長段，最后形成的用于建立流道的三維模型保存為*.X_t文件，模型如圖3所示。
[0041]將上述用于建立流道的三維模型導(dǎo)入CFD軟件CFDesign，生成流道模型，進(jìn)行自動網(wǎng)格劃分，Size Adjustment設(shè)置為0.75，邊界層數(shù)設(shè)置為4 ;在流道模型進(jìn)口設(shè)置多個體積流量邊界條件，對應(yīng)的進(jìn)口體積流量值應(yīng)在一定范圍內(nèi)等差選取，如設(shè)置3個，具體應(yīng)用中根據(jù)依據(jù)閥門的公稱通徑不同來選取，如下面表格所示。
【權(quán)利要求】
1.一種基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，其特征在于，包括以下步驟: (O建立閥門的三維裝配體模型，并在閥體進(jìn)出口處加延長段； (2)將三維裝配體模型導(dǎo)入CFD軟件，生成流道模型，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在流道模型進(jìn)口設(shè)置多個體積流量邊界條件，出口壓力設(shè)置為O，分別模擬計算出相應(yīng)的多個進(jìn)口的壓力值，并計算出相應(yīng)的多個進(jìn)出口壓力差值； (3)根據(jù)所述壓力差值，通過公式分別計算出多個流量系數(shù)值，再計算出平均流量系數(shù)值； (4)根據(jù)前面計算所得的平均流量系數(shù)值，通過公式計算出閥門的當(dāng)量長度值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，其特征在于，所述步驟(O具體為:進(jìn)口前加長度為3-5倍流道直徑的延長段，出口后加長度為6-10倍流道直徑的延長段。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，其特征在于，在所述步驟(1)中還包括建立閥門的三維裝配體模型時，除去不影響流道生成且與流體介質(zhì)不直接接觸的部件和不影響計算結(jié)果的細(xì)小零部件，僅建立流道封閉的三維模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，其特征在于，所述步驟(2)還包括，設(shè)置體積流量邊界條件時，對應(yīng)的進(jìn)口體積流量值依據(jù)具體的閥門的公稱通徑在相應(yīng)的范圍內(nèi)等差選取。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，其特征在于，設(shè)置體積流量邊界條件時，要保證入口流速在速度為3-8m/s，保證產(chǎn)生完全紊流，最小雷諾數(shù)不小于4X104。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，其特征在于，所述步驟(2)具體為:設(shè)置體積流量邊界條件時，設(shè)置三到七種工況。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，其特征在于，所述步驟(2)中模擬計算出相應(yīng)的壓力值并計算出壓力差值的步驟具體為:在CFD軟件中，將流體設(shè)定為不可壓縮流體，選取κ-ε湍流模型，將分析方式設(shè)定為穩(wěn)態(tài)分析，利用自動收斂準(zhǔn)則決定迭代終止，求解步數(shù)設(shè)為1000次，然后對多個工況分別進(jìn)行求解，獲得流體速度及壓力分布云圖，通過數(shù)據(jù)提取獲得對應(yīng)于每個工況的閥門進(jìn)出口壓力差值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7任一項所述的基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，其特征在于，所述步驟(3)具體為:依據(jù)壓力差值采用以下公式計算出流量系數(shù)值Cv，
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項所述的基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，其特征在于，所述步驟(4)具體為:依據(jù)以下公式計算出閥門的當(dāng)量長度L/D，L/D = 2.175X IO-3Xd4/((T.Qavg)， 其中:cVavg為平均流量系數(shù)值，d為閥門壓力等級對應(yīng)規(guī)格管道的內(nèi)徑，4為Scheduled潔凈鋼管在完全紊流下的摩擦阻力系數(shù)，L/D為閥門當(dāng)量長度。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項所述的基于CFD的閥門當(dāng)量長度計算方法，其特征在于，還包括由計算所得的當(dāng)量長度值與技術(shù)要求的限值進(jìn)行比較，當(dāng)計算所得當(dāng)量長度大于限值時，則根據(jù)流體分析結(jié)果進(jìn)行流道優(yōu)化設(shè)計，再重復(fù)上述步驟進(jìn)行當(dāng)量長度計算，直到得出不大于限值的當(dāng)量 長度值為止。
【文檔編號】G06F17/50GK103729505SQ201310719041
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】陳天敏, 魏宏璞, 姚青, 吳敬普, 王龍驤, 高開科 申請人:蘇州紐威閥門股份有限公司