面向工艺阀门的流场仿真计算和优化工程设计方法研究

第一章 绪论1.1 研究背景和意义工艺阀门是指安装在工艺管道上的阀门，如调节阀、截止阀、止回阀、泄压阀等。它在管路系统中控制着流体（液体、气体、粉末等）的压力、流量、方向等，是流体输送系统中重要的控制部件，被广泛地应用于能源、化工等多个工业领域，在国计民生中起着十分重要的作用。近年来，随着相关行业的快速发展和技术水平的持续提高，阀门的应用领域不断被拓宽，工艺阀门的市场需求不断增长，同时对阀门性能和质量的综合要求也越来越高，因此，需要不断提高阀门的各项性能才能适应现代社会和工业的发展。目前国内工艺阀门的设计主要依赖于设计手册、产品标准等，通过经验公式计算来确定设计参数，但这种方法往往误差较大，而且仅适用于特定类型阀门，不利于新型阀门的结构创新。随着计算机技术和计算流体动力学（putational fluid dynamics, CFD）的发展，基于 CFD 的数值仿真方法可以准确、快速而且可视化地反映复杂流场的细节特征，帮助设计人员了解阀门结构对内部流场的影响规律。本文拟从计算流体动力学的角度分析工艺阀门内流场的流动特性，对工艺阀门流通能力以及动水力矩的仿真方法进行研究，从而指导工艺阀门的设计和优化。研究结果将有助于提高工艺阀门的性能以及可靠性，并促进阀门领域的产品创新。.........1.2 国内外研究现状早在上世纪 60 年代，一些学者和研究机构就曾尝试运用流动力学原理分析阀门内部流场并优化阀门设计[1]。早期的理论模型较为简易，精度有限，所分析计算的对象一般也为扭矩等较宏观的阀门特性[1, 2]，难以反映阀门内部流场的细节。近年来，随着 CFD 和计算机技术的飞速发展，数值仿真技术越来越广泛地应用于各种阀门内流场的研究，并在其基础上从减阻、安全、减振、降噪等多个角度优化阀门设计。在发达国家，工业界在对于阀门的 CFD 仿真研究方面占据主流，各大阀门生产厂家运用各种商用 CFD 软件系统进行阀门设计已经发展为常态。包括美国 Fisher、SAMON、加拿大 Velan、英国 Hatterley Heaton 等著名阀门生产企业在介绍他们的新产品时都会强调是经过 CFD 验证和优化的。目前国内外大多数研究主要集中于对阀门内部稳态流场的特性进行研究，例如阀门在不同开启角度下的压力和速度分布情况、流量特性、动水力矩以及空化气蚀现象等，这些问题一直是阀门领域的主流研究方向。对于稳态流场特性的研究多数针对蝶阀、球阀以及锥阀等通用工艺阀门，例如，美国休斯顿大学的 Leutwyler 和 Dalton 等人研究了可压缩气体流经不同开度下中线蝶阀时流场的阻力及气动力矩等特性[3]；美国内华达大学的 Moujaes 等人针对某球阀在不同开启角度下的流场情况进行研究，并分析了流阻系数和流量系数随雷诺数等因素变化的规律[4]；谢里夫理工大学的 Tabrizi 等人对球阀性能与汽蚀现象进行了研究，对比分析了阀门在不同开启角度下的压力和速度分布情况、压力损失情况以及阀门内部形成的漩涡，研究结果表明，随着阀门开度的减小，漩涡的尺度和阀后压力损失都逐渐增大，而且回流区域的面积和阀门的汽蚀系数都随着阀门开度的减小而逐渐增[5]；武汉大学冯卫民等人针对某型偏心球阀进行数值仿真，研究了不同开启角度下阀门内部压力、速度分布情况以及阀门的流量特性、汽蚀特性和压力恢复系数等[6]；武汉科技大学的沈洋和金晓宏等人研究了某蝶阀在不同开启角度下的气动力矩和速度、压力分布情况[7]；石娟和梁鹏飞等人运用FLUENT 软件研究了偏心蝶阀在各种工况下各种开度的动水力矩变化情况以及该蝶阀的流量特性[8]；浙江大学流体传动及控制国家重点实验室曾对锥阀和球阀阀口的气穴流动进行了数值仿真，与实验对比表明该仿真方法能有效地描述阀口的气穴流动[9,10]；国防科技大学的硕士研究生赵莹利用实验和仿真的方法对球形调节阀的流量系数和力矩特性进行研究，研究结果表明仿真结果与实验结果十分吻合[11]；宁夏大学的硕士研究生李蓓对某 DN200 三偏心蝶阀的动水力矩进行实验和仿真研究，二者在小开度时的结果相对误差较小[12]。.........第二章 基于网格自适应的 CFD 仿真方法研究2.1 概述网格对仿真精度和计算效率存在着很大的影响，在进行网格划分的过程中需要同时考虑这两个方面[53]。应用 CFD 方法对阀门内流场进行仿真时，为了更好地捕捉阀门内部流场中各物理量的变化，通常需要对流场模型中的不同位置设置不同的网格密度，这种经验性的设置工作量比较大，且计算结果存在较大的不稳定性，严重限制了 CFD 仿真技术在国内阀门领域的推广应用。基于以上原因，需要对阀门内流场模型的网格优化方法进行深入研究，希望能够降低网格的优化难度，提高仿真结果的可靠性。合理的网格自适应方法可以对流场中敏感区域的网格有针对性的加密，从而实现上述目的。网格自适应技术在很多领域的应用中都产生了很好的效果[54-58]，但是在阀门领域中却鲜有报道。本章将以全开现实下的 DN500 偏心蝶阀为研究对象，对比分析了大涡模拟和标准 - 湍流模型在仿真中的应用效果，并综合运用 y+自适应和速度梯度网格自适应技术对阀门流场的初始网格进行优化，以期提高仿真精度，降低人工优化网格的难度。..........2.2 仿真方法与过程2.2.1 流场模型DN500 偏心蝶阀是一种截止阀，主要包含阀体、阀座、阀杆、蝶板、密封圈、压圈等零件，其结构如图 2-1 所示。净压差 Pv是计算阀门流量系数的关键参数，该值仿真结果的准确度代表着流量系数仿真结果的可靠性。阀门流量系数实验方法国家标准[59]规定，净压差 Pv是阀门-管道;总压差 Po（包括待测阀门与管道）与管道沿程压力损失 Pp（不包含待测阀门）的差值。由于需要单独获得 Po和 Pp，因此在仿真中分别建立了阀门-管道;和直管道;两种流场模型，如图 2-2(a)、(b)所示。对于阀门-管道;流场模型，阀门上游管道（阀门前端到上游取压孔）的长度为 5D（Lu=5D，D 为阀门的公称直径），阀门下游管道（阀门后端到下游取压孔）的长度为 10D（Ld=10D）；对于直管道;流场模型，其总长度为 15D（Lu+Ld=15D）。.........第三章 基于 CFD 的阀门流通能力评估与优化 ............ 213.1 概述.............. 213.2 阀门的流通能力及测量原理....... 213.3 流量系数仿真计算方法的研究与应用............. 223.3.1 达西原理...... 223.3.2 仿真方法与过程..... 223.3.3 结果与分析............. 263.4 阀门结构的优化研究........ 293.4.1 DN500 龟背式蝶阀结构优化 ...... 29.4.2 DN500 平板式蝶阀结构优化 ...... 303.4.3 DN100 隔膜阀结构优化 .............. 313.5 阀门流场仿真参数化平台的设计与开发......... 313.6 本章总结...... 38第四章 基于 CFD 的阀门流场动态特性研究 ..... 394.1 概述.............. 394.2 CFD 动态仿真方法研究 .............. 424.3 结果.............. 444.4 分析与讨论............. 454.5 本章总结...... 51第五章 总结与展望.............. 535.1 工作总结...... 535.2 工作展望...... 53第四章 基于 CFD 的阀门流场动态特性研究4.0 概述阀门在管路系统中并不是简易的处于某一固定现实，而是会根据需要对阀门的开度进行调整，阀门一旦运动，便会对原有的稳定流场造成影响，内部的压力和流体速度分布会急剧变化，可能会产生十分严重的振动和冲击破坏作用，因此对阀门开关过程的动态仿真方法进行研究十分重要，而现有的动态仿真方法多集中于升降式启闭类型的阀门[17-21, 23, 26-32]，对于旋转式启闭类型的阀门研究较少。流体流过阀门时，阀芯处于流动的流体中，不同位置受到的压力不同，因此阀芯相对于阀杆必然会产生转动的趋势，形成了动水力矩[73]。阀门的动水力矩受到很多因素影响，例如阀芯形状、公称直径、流体种类、启闭速度等。动水力矩是影响阀门稳定性和造成生产事故的主要原因之一，它也是阀门在设计过程中需要考虑的重要参数[74]。目前很多阀门设计人员大多采用经验公式对阀门动水力矩进行计算，这种方法具有很大的局限性，随着各行业的发展，阀门的结构变的越来越复杂，各领域对阀门动水力矩的计算精度也提出了更高的要求，因此仍应用经验公式的方法对阀门动水力矩进行计算难以满足阀门行业发展的要求。本章将以 DN500 偏心蝶阀为研究对象，综合运用用户自定义函数与滑移网格技术对旋转式启闭类型阀门开关过程的动态仿真方法进行研究，并应用仿真与经验公式的方法对比分析该蝶阀在不同关阀和开阀时间下的动水力矩。

..........总结本文基于计算流体动力学，针对阀门内流场仿真中存在的问题，对阀门内流场稳态和动态仿真方法进行研究。针对每一个研究主题，论文都应用实验或者是经验公式计算的方式对仿真结果的可靠性进行验证，力求实现结果更精确、过程更简便、处理更高效;的阀门内流场仿真方法，从而促进 CFD 技术在阀门领域的进一步开拓应用。在具体研究过程中本文主要得出了以下结论：（1）在基于网格自适应的 CFD 仿真方法研究中发现，Fluent 中的 y+自适应技术能有效改善边界层网格，提高求解器在近壁面区域的计算精度，速度梯度自适应技术能有效针对阀门内流场急变流区域进行网格优化，提高流场中速度梯度变化较大区域的计算精度，通过综合运用这两种网格自适应方法，可以有效提高仿真精度，降低人工成本；另外，从计算效率和精度两个方面综合考虑，标准 - 湍流模型更适用于流场仿真。（2）在阀门流量系数仿真计算方法的研究中发现，在阀门前端增加长度为 26D的上游管道，并结合拟合方法对直管道的沿程压力损失 Pp进行计算，这种方法避免了单独对直管道;模型进行仿真造成的计算资源浪费；将之应用于各种不同类型、不同口径的阀门上均取得十分好的效果，获得的流量系数与实验值的相对误差均不超过 3%，因此该方法具有较高的仿真精度，且通用性较好。（3）在阀门流场仿真参数化平台的开发过程中发现，该平台可以实现网格划分过程和求解设置过程的参数化和自动化，且划分的网格质量较好，计算结果的精度较高，从一定程度上减少了重复性人工操作，提高了分析效率。（4）在阀门流场动态特性的研究中发现，综合运用 UDF 与滑移网格技术能够对旋转式启闭类型的阀门进行有效仿真，利用该方法对阀门的动水力矩进行研究发现，快速和慢速两种开、关阀策略所形成的动水力矩在数值和变化趋势上均有较大差距，需要具体问题具体分析。..........参考文献（略）