一種基于cfd仿真和網(wǎng)格自適應(yīng)的閥門流量系數(shù)計(jì)算方法
【專利說明】一種基于CFD仿真和網(wǎng)格自適應(yīng)的閥門流量系數(shù)計(jì)算方法 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及到計(jì)算閥門流通能力的領(lǐng)域，具體表現(xiàn)為應(yīng)用CFD與網(wǎng)格自適應(yīng)相結(jié) 合的方法計(jì)算閥門流量系數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 閥門的流量系數(shù)是指單位時間內(nèi)，在保持恒定的壓力條件下管道內(nèi)介質(zhì)流經(jīng)閥門 的總流量。流量系數(shù)反映了閥門的流通能力和節(jié)能環(huán)保性能，是閥門重要的工藝參數(shù)和技 術(shù)指標(biāo)。目前國內(nèi)的很多閥門生產(chǎn)廠家以實(shí)驗(yàn)方法測得的流量系數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)衡量閥門的流 通能力，但是實(shí)驗(yàn)成本高，周期長，耗費(fèi)大量的人力物力。
[0003] 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動力學(xué)（ComputationalFluidDynamics，CFD)的發(fā) 展，基于CH)的數(shù)值仿真可以準(zhǔn)確、快速而且可視化地反映復(fù)雜流場的細(xì)節(jié)特征。運(yùn)用CH)方 法進(jìn)行閥門流通能力的分析將是現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法的有效補(bǔ)充，同時也有助于設(shè)計(jì)人員了解閥 門結(jié)構(gòu)對內(nèi)部流場的影響規(guī)律。
[0004] 計(jì)算規(guī)模大、精度要求高是閥門CFD仿真的兩大主要特點(diǎn)。眾所周知，網(wǎng)格是影響 CFD仿真精度和計(jì)算效率的重要因素。隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，結(jié)果精度一般也會提高，但是 計(jì)算時間也會隨之增加，所以在劃分網(wǎng)格時需要綜合考慮精度和效率兩個方面。在閥門內(nèi) 流場的CFD仿真中，通常需要對模型的不同局部設(shè)置不同的網(wǎng)格密度，并進(jìn)行大量手工加密 處理。這些經(jīng)驗(yàn)性的設(shè)置和處理不僅工作量較大，而且會對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，導(dǎo)致 計(jì)算精度存在一定的不確定性，限制了CFD方法在閥門制造行業(yè)的推廣應(yīng)用。
[0005] 本發(fā)明旨在利用網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)對閥門流場中敏感的區(qū)域進(jìn)行有針對性的自動 加密，從而提高仿真精度。該方法相比人工調(diào)整流場網(wǎng)格更加簡單易行，而且對操作者的專 業(yè)程度依賴性不高，有利于在工業(yè)界推廣應(yīng)用。
[0006] 經(jīng)檢索，目前有關(guān)應(yīng)用CFD仿真方法衡量閥門流通能力的申報(bào)專利有 CN103729505A，這篇專利提出了基于CFD仿真的閥門當(dāng)量長度計(jì)算方法。但是這篇專利只是 利用通用的方法求解閥門兩端的壓差，進(jìn)而計(jì)算得到閥門當(dāng)量長度，并沒有考慮到網(wǎng)格對 仿真精度的影響，更未提到應(yīng)用網(wǎng)格自適應(yīng)的方法降低人工優(yōu)化網(wǎng)格的難度和工作量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服運(yùn)用實(shí)驗(yàn)方法計(jì)算閥門流量系數(shù)成本高、周期長、對閥門 尺寸規(guī)格有限制以及現(xiàn)有CH)仿真方法人工加密網(wǎng)格、計(jì)算精度受限于操作人員專業(yè)程度 等問題，提出了一種基于CH)仿真和網(wǎng)格自適應(yīng)的閥門流量系數(shù)計(jì)算方法。此方法可以在閥 門設(shè)計(jì)階段起到指導(dǎo)作用，提高效率，節(jié)約資源，大大的提高仿真精度，降低了人工加密網(wǎng) 格的工作量和難度。
[0008] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為： 利用三維軟件建立閥門的裝配體模型，并且抽取"閥門-管道"流場模型和"直管道"流 場模型，對兩個模型分別進(jìn)行混合網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，然后利用商用CFD軟件FLUENT在 多種不同邊界條件下結(jié)合網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，得到模型進(jìn)出口的壓差值，再通 過公式計(jì)算得到閥門的流量系數(shù)。
[0009] 為提高計(jì)算精度，降低了人工加密網(wǎng)格的工作量和難度，本發(fā)明在仿真過程中采 用以下自適應(yīng)操作： (1)先利用FLUENT軟件對初始網(wǎng)格進(jìn)行試運(yùn)算； (2 )進(jìn)行第一次網(wǎng)格自適應(yīng)，包括y+自適應(yīng)和速度梯度自適應(yīng)，其中在y+自適應(yīng)中根據(jù) y +取值范圍設(shè)置粗化閥值和加密閥值，在速度梯度自適應(yīng)中選取的自適應(yīng)方法為 Gradient，標(biāo)準(zhǔn)化方式為Standard，根據(jù)自適應(yīng)函數(shù)等值線云圖確定速度梯度變化較大區(qū) 域，得到加密閥值； (3)若前一次計(jì)算結(jié)果的y+值不滿足30〈y+〈300范圍，則繼續(xù)采用y+自適應(yīng)對近壁面網(wǎng) 格進(jìn)行不同次數(shù)的優(yōu)化。
[0010] 由于自適應(yīng)后網(wǎng)格會大量增加，故選取y+的取值范圍要根據(jù)流場模型的大小和計(jì) 算機(jī)性能綜合考慮，一般在工程應(yīng)用中y+值的取值范圍不應(yīng)超出30〈 7+〈300，若模型比較 小，計(jì)算機(jī)性能又足夠高，使11.5〈y+〈60，則可以獲得更高的仿真精度。
[0011] 本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)步驟如下： 步驟（1):建立流場模型和網(wǎng)格劃分 建立閥門裝配體三維模型，并且分別在閥門進(jìn)、出口連接5倍公稱直徑和10倍公稱直徑 長度的上、下游管道，抽取"閥門-管道"流場模型，并建立15倍公稱直徑長度的"直管道"流 場模型。
[0012] 對"閥門-管道"流場模型進(jìn)行多種不同規(guī)模的混合網(wǎng)格劃分，即兩邊管道區(qū)域劃 分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，中間閥門區(qū)域劃分為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格;將"直管道"流場模型全部劃分為結(jié)構(gòu)網(wǎng) 格。這種劃分網(wǎng)格的方式可以獲得質(zhì)量更高的初始網(wǎng)格。
[0013] 步驟(2):判斷最優(yōu)初始網(wǎng)格 針對"閥門-管道"流場模型，分別應(yīng)用不同規(guī)模的初始網(wǎng)格進(jìn)行仿真試運(yùn)算，并分析所 得的"閥門-管道"模型進(jìn)出口壓差隨網(wǎng)格規(guī)模的變化趨勢，當(dāng)在某初始網(wǎng)格基礎(chǔ)上網(wǎng)格數(shù) 量增加10%而計(jì)算所得的壓差變化量不超過1.5%時，將該初始網(wǎng)格選取為最優(yōu)初始網(wǎng)格。
[0014] 步驟(3):不同邊界條件下"閥門-管道"壓差 利用步驟(2)中得到的最優(yōu)初始網(wǎng)格，考慮不同的流動邊界條件，結(jié)合多次網(wǎng)格自適應(yīng) 操作，仿真計(jì)算各邊界條件下的"閥門-管道"模型的進(jìn)出口壓差。
[0015] 步驟(4):不同邊界條件下"直管道"壓差 針對"直管道"流場模型，設(shè)置與步驟(3)中相對應(yīng)的邊界條件，結(jié)合網(wǎng)格自適應(yīng)操作， 仿真計(jì)算各邊界條件下的"直管道"模型的進(jìn)出口壓差。
[0016] 步驟(5):計(jì)算閥門流量系數(shù) 將"閥門-管道"壓差與"直管道"壓差的差值代入閥門流量系數(shù)計(jì)算公式心 中進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的閥門流量系數(shù)，式中為流量（單位：），ΔΡν為閥門的凈壓差（單 位:），為密度(單位:），常溫下。
[0017] 步驟(6):計(jì)算流量系數(shù)平均值 將各組邊界條件下最后一次自適應(yīng)計(jì)算得到的流量系數(shù)取算術(shù)平均值，并將此均值作 為閥門流量系數(shù)的預(yù)測值。
[0018] 本發(fā)明的有益效果是： (1)相比于實(shí)驗(yàn)方法測量閥門流量系數(shù)，本發(fā)明所述方法能夠在設(shè)計(jì)初期準(zhǔn)確預(yù)測閥 門的流通能力，而且能夠提供遠(yuǎn)比實(shí)驗(yàn)更加豐富的流場細(xì)節(jié)信息，向設(shè)計(jì)人向直觀地展示 閥門結(jié)構(gòu)對流場的影響，因此可以在閥門的設(shè)計(jì)階段起到很好的指導(dǎo)作用，縮短研發(fā)周期， 節(jié)約成本，避免人力物力的浪費(fèi)。
[0019] (2)相比于現(xiàn)有應(yīng)用CH)仿真對閥門流通能力進(jìn)行檢測的方法，本發(fā)明通過應(yīng)用網(wǎng) 格自適應(yīng)技術(shù)大大提高了仿真精度。利用y+自適應(yīng)技術(shù)可以有效的改善邊界層網(wǎng)格，利用 速度梯度自適應(yīng)技術(shù)則可對流場中急變流區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行自動加密，避免了人工加密網(wǎng)格的 盲目性，同時也降低了工作量和難度。該方法對操作者優(yōu)化網(wǎng)格的專業(yè)程度依賴性不高，有 利于在工業(yè)界普遍推廣。
[0020] (3)本發(fā)明在閥門進(jìn)出口分別延長了5倍和10倍公稱直徑長度的管道區(qū)域，這種做 法可以讓流體介質(zhì)充分發(fā)展，且可以有效避免回流現(xiàn)象的發(fā)生。在仿真過程中用"閥門-管 道"壓差Δ Pi和"直管道"壓差Δ P2的差值Δ Pv對閥門流量系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，這種方法有效地避 免了長直管道產(chǎn)生的壓差對計(jì)算結(jié)果的影響。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是本發(fā)明所述流量系數(shù)計(jì)算方法流程圖； 圖2是同一初始網(wǎng)格不同邊界條件自適應(yīng)前后相對誤差變化折線圖。
【具體實(shí)施方式】 [0022] 圖1是本發(fā)明所述流量系數(shù)計(jì)算方法流程圖，下面提供本發(fā)明所述的一種基于CH)仿真 和網(wǎng)格自適應(yīng)的閥門流量系數(shù)計(jì)算方法的【具體實(shí)施方式】。
[0023] 實(shí)施例1: 本實(shí)施例的操作步驟如下： (1)建立流場模型和網(wǎng)格劃分 以DN500偏心蝶閥為例，利用Solidworks建立裝配體模型，對此模型中的倒圓、倒角和 螺紋孔等細(xì)小結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化后在進(jìn)出口分別連接5倍公稱直徑和10倍公稱直徑長度的管 道;然后抽取"閥門-管道"流場模型，總長度為7857毫米，并且建立15倍公稱直徑長度的"直 管道"流場模型，總長度為7500毫米。
[0024]利用ANSYSICEMCFD前處理軟件將"閥門-管道"流場模型劃分為混合網(wǎng)格，將"直管 道"流場模型全部劃分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。
[0025] (2)判斷最優(yōu)初始網(wǎng)格 針對"閥門-管道"流場模型設(shè)置2.3m/s的進(jìn)口流速，在45萬、140萬、311萬、383萬、427 萬五種不同規(guī)模的網(wǎng)格下進(jìn)行仿真運(yùn)算。仿真得到的壓差如表1所示。
[0026]表1不同網(wǎng)格規(guī)模下仿真結(jié)果
每一次增加網(wǎng)格數(shù)量仿真得到壓差之間的相對誤差分別為2.464%、2.110%、1.629%和 0.358%，利用427萬網(wǎng)格計(jì)算得到的壓差相對誤差低于1.5%，故選取最優(yōu)網(wǎng)格數(shù)量為427萬。 [0027] (3)不同邊界條件下"閥門-管道"壓差 針對"閥門-管道"流場模型，在427萬網(wǎng)格數(shù)量下分別設(shè)置入口速度為2.3m/s、2.88m/ s、3.17m/s、3.33m/s，并且對每一組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行2次網(wǎng)格自適應(yīng)，共進(jìn)行12次仿真計(jì)算。不同邊 界條件下仿真得到的"閥門-管道"壓差如表2所示，單位為Pa。
[0028] 表2不同進(jìn)口速度下"閥門-管道"壓差仿真結(jié)果_
(4)不同邊界條件下"直管道"壓差 針對"直管道"流場模型，在373萬網(wǎng)格數(shù)量下設(shè)置與步