一种适用于流程阀门的整流效果判定方法与流程

1.本发明涉及整流效果判定技术领域，具体来说，涉及一种适用于流程阀门的整流效果判定方法。


背景技术：

2.流程阀门在流体传输过程中起着越来越重要的作用，在石油化工、水利水电等行业得到了广泛的应用。在不同的工况下具备调节、分流、启闭等功能。然而，流程阀门内部的急变流与高剪切流引起的漩涡等复杂不稳定流动，会沿下游管道发展，影响流程阀门运行可靠性及管道流体准确计量。
3.工程中往往会在管道流体计量设备前安装整流器来获得较为稳定的计量信号。整流器是加速不规则流体发展、缓减流场畸变对流量计影响的设备，可在较小的空间内采集稳定的流量计量信号，大大提高流量计量结果的准确性。安装整流器是当前流场优化和流量计性能提升的重要途经。
4.但是，在实际工程中，整流器整流效果的好坏通常根据实验测量得到的结果来判定，这花费了大量的人力和物力，所得到的实验结果还存在误差，不一定准确。
5.针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

6.针对相关技术中的问题，本发明提出一种适用于流程阀门的整流效果判定方法，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。
7.为此，本发明采用的具体技术方案如下：
8.一种适用于流程阀门的整流效果判定方法，包括以下步骤：
9.s101、建立流道模型；对实际工况下的阀门和整流器利用solidworks软件进行三维建模，将整流器模型装配在阀门出口处，对模型流体域进行抽取，获得流道模型，流道模型特征在于：所述流道模型阀门上游为五倍管径，整流器下游为十二倍管径；
10.s103、划分网格；进行网格无关性验证，选取符合要求的网格数，对流道模型进行网格划分；
11.s105、进行数值计算；将流道网格导入anasys fluent软件，设置相关参数，并进行数值计算；
12.s107、计算下游截面的速度偏心率η；提取整流器下游管道横截面上的最大速度，根据公式，计算下游每个横截面的速度偏心率η，计算公式如下：
13.其中，vmax表示下游管道横截面上的最大速度，单位为m/s；v0表示管道内的平均速度，单位为m/s。
14.s109，判断整流效果；根据计算出来的速度偏心率，利用origin软件绘制出速度偏心率随流动发展的曲线图，对比分析不同结构整流器的整流效果。
15.作为优选的，所述划分网格具体实施包括以下步骤：
16.s1031、在solidworks软件里面，将流道模型的每一个部分分别导出；
17.s1032、利用ansys icem cfd软件，对流道模型的每一个部分分别划分结构性网格，并对阀芯和整流器的部分进行网格加密，最后利用ansys icem cfd软件的merge功能，将每个部分的网格合并成一个整体。
18.作为优选的，所述网格无关性验证具体实施包括以下步骤：
19.s1033、针对阀门全开、安装某一种整流器时的流道模型，进行网格划分，并划分成多套具有不同网格数量的流道网格模型；
20.s1034、比较不同网格数下的流量系数和阻力系数，当流量系数和阻力系数随网格数量的增加而基本保持不变时，选择流量系数和阻力系数基本保持不变的最少网格数。
21.作为优选的，所述步骤s105中设置相关参数具体实施包括以下步骤：
22.s1051、在general模块中定义求解器，求解器类型采用基于压力的求解器，时间类型设置为稳态计算方式；
23.s1052、在models模块中选择计算模型，选择standard k
‑
ε模型进行计算；
24.s1053、在materials模块中设置流体介质，根据实际工况，选择流体介质为水或者气；
25.s1054、在boundary conditions模块中设置边界条件，入口选择velocity
‑
inlet，出口选择pressure
‑
outlet，壁面选择wall，交界面选择interface；当实际工作条件明确时，根据实际工作条件设置边界条件；当实际工作条件不明确时，自行设定合理的边界条件；
26.s1055、在mesh interfaces模块中定义interface；
27.s1056、在residual模块中设置收敛残差；
28.s1057、在initialization模块中点击hybrid initialization进行初始化；
29.s1058、在run calculation模块中设置迭代步数后点击calculation模块开始进行数值计算。
30.作为优选的，所述的步骤s107中提取整流器下游管道横截面上的最大速度具体实施包括以下步骤：
31.s1071、在surface模块中选择iso
‑
surface，在整流器下游每间隔1d创建一个横截面，共创建12个横截面；
32.s1072、在reports模块中的surface integrals模块，report type选择facet maximum，field variable选择velocity magnitude，surfaces选择s1071步骤中在整流器下游创建的横截面，即可得到横截面上的最大速度。
33.作为优选的，所述的判断整流效果的具体方法是：横截面的速度偏心率越小，说明截面上的速度分布越均匀，流场越稳定，整流器的整流效果越好。根据origin软件绘制出速度偏心率随流动发展的曲线图可以直观地看到不同结构整流器下游截面速度偏心率的大小，以此来判定不同结构整流器整流效果的好坏。
34.本发明的有益效果为：通过数值模拟的方法，对阀后的整流情况进行了反映，利用整流器下游横截面的速度偏心率判定不同结构整流器整流效果的好坏，不需要进行复杂的实验来判断，可以大大减少人力物力，在工程上具有实际意义。
附图说明
35.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
36.图1是根据本发明实施例的一种适用于流程阀门的整流效果判定方法的流程图；
37.图2是根据本发明实施例的一种适用于流程阀门的整流效果判定方法中整流器i的二维结构图；
38.图3是根据本发明实施例的一种适用于流程阀门的整流效果判定方法中整流器ii的二维结构图；
39.图4是根据本发明实施例的一种适用于流程阀门的整流效果判定方法中球阀及整流器流道模型图；
40.图5是根据本发明实施例的一种适用于流程阀门的整流效果判定方法中球阀及整流器流道模型网格图；
41.图6是根据本发明实施例的一种适用于流程阀门的整流效果判定方法中流量系数和阻力系数的网格无关性柱形图；
42.图7是根据本发明实施例的一种适用于流程阀门的整流效果判定方法中两种整流器下游截面的速度偏心率随流动发展的曲线图。
具体实施方式
43.为进一步说明各实施例，本发明提供有附图，这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理，配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点，图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
44.根据本发明的实施例，提供了一种适用于流程阀门的整流效果判定方法。
45.实施例一；
46.如图1
‑
7所示，根据本发明实施例的适用于流程阀门的整流效果判定方法，包括以下步骤：
47.步骤s101、建立流道模型；对实际工况下的阀门和整流器利用solidworks软件进行三维建模，将整流器模型装配在阀门出口处，对模型流体域进行抽取，获得流道模型，流道模型特征在于：所述流道模型阀门上游为五倍管径，整流器下游为十二倍管径；
48.步骤s103、划分网格；进行网格无关性验证，选取符合要求的网格数，对流道模型进行网格划分；
49.步骤s105、进行数值计算；将流道网格导入anasys fluent软件，设置相关参数，并进行数值计算；
50.步骤s107、计算下游截面的速度偏心率η；提取整流器下游管道横截面上的最大速度，根据公式，计算下游每个横截面的速度偏心率η，计算公式如下：
51.其中，vmax表示下游管道横截面上的最大速度，单位为m/s；v0表示管道内的平均
速度，单位为m/s。
52.步骤s109，判断整流效果；根据计算出来的速度偏心率，利用origin软件绘制出速度偏心率随流动发展的曲线图，对比分析不同结构整流器的整流效果。
53.所述划分网格具体实施包括以下步骤：
54.步骤s1031、在solidworks软件里面，将流道模型的每一个部分分别导出；
55.步骤s1032、利用ansys icem cfd软件，对流道模型的每一个部分分别划分结构性网格，并对阀芯和整流器的部分进行网格加密，最后利用ansys icem cfd软件的merge功能，将每个部分的网格合并成一个整体。
56.所述网格无关性验证具体实施包括以下步骤：
57.步骤s1033、针对阀门全开、安装某一种整流器时的流道模型，进行网格划分，并划分成多套具有不同网格数量的流道网格模型；
58.步骤s1034、比较不同网格数下的流量系数和阻力系数，当流量系数和阻力系数随网格数量的增加而基本保持不变时，选择流量系数和阻力系数基本保持不变的最少网格数。
59.所述步骤s105中设置相关参数具体实施包括以下步骤：
60.步骤s1051、在general模块中定义求解器，求解器类型采用基于压力的求解器，时间类型设置为稳态计算方式；
61.步骤s1052、在models模块中选择计算模型，选择standard k
‑
ε模型进行计算；
62.步骤s1053、在materials模块中设置流体介质，根据实际工况，选择流体介质为水或者气；
63.步骤s1054、在boundary conditions模块中设置边界条件，入口选择velocity
‑
inlet，出口选择pressure
‑
outlet，壁面选择wall，交界面选择interface；当实际工作条件明确时，根据实际工作条件设置边界条件；当实际工作条件不明确时，自行设定合理的边界条件；
64.步骤s1055、在mesh interfaces模块中定义interface；
65.步骤s1056、在residual模块中设置收敛残差；
66.步骤s1057、在initialization模块中点击hybrid initialization进行初始化；
67.步骤s1058、在run calculation模块中设置迭代步数后点击calculation模块开始进行数值计算。
68.所述的步骤s107中提取整流器下游管道横截面上的最大速度具体实施包括以下步骤：
69.步骤s1071、在surface模块中选择iso
‑
surface，在整流器下游每间隔1d创建一个横截面，共创建12个横截面；
70.步骤s1072、在reports模块中的surface integrals模块，report type选择facet maximum，field variable选择velocity magnitude，surfaces选择s1071步骤中在整流器下游创建的横截面，即可得到横截面上的最大速度。
71.所述的判断整流效果的具体方法是：横截面的速度偏心率越小，说明截面上的速度分布越均匀，流场越稳定，整流器的整流效果越好。根据origin软件绘制出速度偏心率随流动发展的曲线图可以直观地看到不同结构整流器下游截面速度偏心率的大小，以此来判
定不同结构整流器整流效果的好坏。
72.实施例二；
73.如图1
‑
7所示，根据本发明实施例的适用于流程阀门的整流效果判定方法，包括以下步骤：
74.步骤一：建立流道模型；选择球阀为扰流元件，对实际工况下的阀门和整流器利用solidworks软件进行三维建模，将整流器i和整流器ii模型装配在球阀出口处，整流器i和整流器ii模型如图2和图3所示，设定球阀相对开度为30％，对模型流体域进行抽取，获得流道模型，流道模型特征在于：所述流道模型阀门上游为五倍管径，整流器下游为十二倍管径，流道模型如图4所示；
75.步骤二：划分网格；进行网格无关性验证，选取符合要求的网格数，对流道模型进行网格划分；
76.所述的划分网格具体实施包括以下步骤：
77.在solidworks软件里面，将流道模型的每一个部分分别导出；
78.利用ansys icem cfd软件，对流道模型的每一个部分分别划分结构性网格，并对阀芯和整流器的部分进行网格加密，最后利用ansys icem cfd软件的merge功能，将每个部分的网格合并成一个整体，流道网格模型如图5所示。
79.所述的网格无关性验证具体实施包括以下步骤：
80.针对阀门全开、安装整流器i时的流道模型，进行网格划分，并划分成多套具有不同网格数量的流道网格模型；
81.比较不同网格数下的流量系数和阻力系数，当流量系数和阻力系数随网格数量的增加而基本保持不变时，选择流量系数和阻力系数基本保持不变的最少网格数，如图6所示，选择350万网格。
82.步骤三：进行数值计算；将流道网格导入anasys fluent软件，设置相关参数，并进行数值计算；
83.所述的设置相关参数具体实施包括以下步骤：
84.①
在general模块中定义求解器，求解器类型采用基于压力的求解器，时间类型设置为稳态计算方式；
85.②
在models模块中选择计算模型，选择standard k
‑
ε模型进行计算；
86.③
在materials模块中设置流体介质，根据实际工况，选择流体介质为水；
87.④
在boundary conditions模块中设置边界条件，入口选择velocity
‑
inlet，出口选择pressure
‑
outlet，壁面选择wall，交界面选择interface；根据实际工作条件设置边界条件，入口条件设定为1m/s，安装整流器i和整流器ii的出口条件分别设定为17876.8pa和17880.9pa；
88.⑤
在mesh interfaces模块中定义interface；
89.⑥
在residual模块中设置收敛残差；
90.⑦
在solution initialization模块卡中点击hybrid initialization进行初始化；
91.⑧
在run calculation模块中设置迭代步数后点击calculation模块开始进行数值计算。
92.步骤四：计算下游截面的速度偏心率η；提取整流器下游管道横截面上的最大速度，根据公式，计算下游每个横截面的速度偏心率η，计算公式如下：
93.其中，vmax表示下游管道横截面上的最大速度，单位为m/s；v0表示管道内的平均速度，单位为m/s。
94.提取整流器下游管道横截面上的最大速度具体实施包括以下步骤：
95.①
在surface模块中选择iso
‑
surface，在整流器下游每间隔1d创建一个横截面，共创建12个横截面；
96.②
在reports模块中的surface integrals模块，report type选择facet maximum，field variable选择velocity magnitude，surfaces选择在整流器下游创建的横截面，即可得到横截面上的最大速度，整流器i和整流器ii下游横截面上的最大速度如下表：
[0097][0098][0099]
速度偏心率η计算结果如下：
[0100][0101]
步骤五：判断整流效果；根据计算出来的速度偏心率，利用origin软件绘制出速度偏心率随流动发展的曲线图，对比分析不同结构整流器的整流效果。
[0102]
所述的判断整流效果的具体方法是：横截面的速度偏心率越小，说明截面上的速度分布越均匀，流场越稳定，整流器的整流效果越好。，如图7所示的速度偏心率随流动发展的曲线图可以直观地看到整流器i下游截面速度偏心率均大于整流器ii下游截面速度偏心率，整流器ii下游的流场更加均匀，因此可以判定，整流器ii的整流效果要比整流器i好。
[0103]
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过数值模拟的方法，对阀后的整流情况进行了反映，利用整流器下游横截面的速度偏心率判定不同结构整流器整流效果的好坏，不需要进行复杂的实验来判断，可以大大减少人力物力，在工程上具有实际意义。
[0104]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。