一种基于涡流分布的阀体结构优化方法

本发明属于工业阀门设计领域，具体涉及一种基于涡流分布的阀体结构优化方法。

背景技术：

阀门是管路流体输送系统中的控制部件，用来改变通路截断和介质流动方向，具有截止、导流、防止逆流、调节、稳压。分流或溢流泄压等功能。阀门的流量系数是衡量阀门流通能力的指标，流量系数值越大说明流体流过阀门时的压力损失越小。国外工业发达国家的阀门生产厂家大多把不同压力等级、不同类型和不同公称通径的流量系数值列入产品样本，供设计部门和使用单位选用。流量系数值随阀门的尺寸、形式、结构而变化，不同类型和不同规格的阀门都要分别进行试验，才能确定该种阀门的流量系数值。涡流是影响阀门流通能力和调节精度的关键参数，在阀门性能改善进程中一般通过消除涡流的存在来提高阀门的流通能力。在阀门的结构基本相似的前提下，通过消除阀内存在的涡流数量，提高阀门的流通能力，从而达到改善阀门性能的目的，这为阀体的结构改善设计提供了新的思路。

数值模拟，又称为数值分析方法，是一种依靠计算机程序获得符合精度需要的数学模型近似解的方法。将数值模拟运用于阀门设计，一方面可以在理论计算中尽量减少简化和假设，从而使计算结果尽量贴近真实解，进行避免了反复试算与校正；另一方面，几乎不需要进行实验校正，从而节省了大量的经济成本。当前，虽然将数值模拟运用于阀门设计已有一定的基础，但是未有针对涡流分布的阀体结构优化方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中的缺陷，并提供了一种基于涡流分布的阀体结构优化方法，通过改变流道特征系数，来改善阀内的流体流动，减小阀内涡流的数量，提高阀门的流通能力。

本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明提供了一种基于涡流分布的阀体结构优化方法，具体如下：

s1：根据阀门的设计文件，通过三维建模软件构建待优化结构阀门的三维结构模型，再根据所述三维结构模型建立阀门实体模型；根据所述阀门实体模型的内部流道，抽取出阀门内部流道模型；通过网格划分软件，将所述阀门内部流道模型离散为内部流道网格模型；

根据所述设计文件，通过计算流体力学软件设置所述内部流道网格模型的进出口边界条件；同时，根据设计文件对所述内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性；

s2：在s1的基础上，通过计算流体力学软件，选择相应的湍流模型并设置参数后进行计算；当计算收敛后，选择计算结果中的速度结果，以阀门的纵剖面为对象，绘制该纵剖面所在处的速度云图；根据所述速度云图绘制流线，并根据流线分布，确定速度云图上的涡流位置和数量；

s3：根据s2中速度云图上的涡流位置和数量，择一执行s31或s32；

s31：若s2中速度云图上没有涡流存在，则该阀体结构无需优化，结束优化过程；

s32：若s2中速度云图上有涡流存在，则过每个所述涡流的中心点作与其距离最近阀体内壁面的垂直线；将所述垂直线与阀体内壁面的交汇点记为点a，与阀体中轴线的交汇点记为点b；将点a和点b之间构成的线段ab记为与涡流相关的流道特征系数rab；

s4：根据s32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面类型，择一执行s41～s45或s51～s54；

s41：若s32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面为曲面，且其曲率中心点在阀体内部时，则将该阀体内壁面初始的流道特征系数记为rabi，其中i的初始值为1；通过三维建模软件将该阀体内壁面变为平面，此时的流道特征系数记为rabj，其中j的初始值为2；在该阀门结构的情况下重复s1～s2，判断当流道特征系数为rabj时的涡流是否消失；

s42：若s41中的涡流消失，则结束优化过程；

s43：若s41中的涡流未消失，则定义δrij＝rabi-rabj，并将s41中原来的流道特征系数rabj变为rabj+1＝rabj-δrij；在该阀门结构的情况下重复s1～s2，判断当流道特征系数为rabj+1时的涡流是否消失；

s44：若s43中的涡流消失，则结束优化过程；

s45：若s43中的涡流未消失，则对i和j均执行加1操作，重新根据s43的操作继续优化流道特征系数，直至涡流消失；

s51：若s32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面为平面时，将该阀体内壁面初始的流道特征系数记为r’abi，其中i的初始值为1；

s52：将该流道特征系数变为r’abi+1＝r’abi-0.05r’abi；在该阀门结构的情况下重复s1～s2，判断当流道特征系数为r’abi+1时的涡流是否消失；

s53：若s52中的涡流消失，则结束优化过程；

s54：若s52中的涡流未消失，则对i执行加1操作，根据s52的操作继续优化流道特征系数，直至涡流消失。

作为优选，所述s1中，当阀门的结构相对其纵剖面几何对称时，所述三维结构模型为完整的阀门模型或相对于纵剖面的1/2阀门模型；当阀门的结构相对其纵剖面几何不对称时，所述三维结构模型为完整的阀门模型；

所述阀门的纵剖面为阀门进口面中心点和出口面中心点的连线与阀体中轴线所在的平面。

进一步的，所述s1中，当三维结构模型为完整的阀门模型时，阀门内部流道模型为阀门内壁面、流体入口面与流体出口面包围成的三维几何空间结构；当三维结构模型为相对于纵剖面的1/2阀门模型时，阀门内部流道模型为阀门内壁面、流体入口面、流体出口面与阀门纵剖面包围成的三维几何空间结构；

进一步的，所述阀门内壁面为阀门内部与流体的接触面；所述流体入口面为阀门内部流体流动空间与上游管道中流体流动空间的分隔面；所述流体出口面为套筒阀内部流体流动空间与下游管道中流体流动空间的分隔面。

作为优选，所述s1中，进出口边界条件包括压力进口边界条件、压力出口边界条件、速度进口边界条件和速度出口边界条件中的一种或多种。

进一步的，所述s1中，在赋予流体属性之前，若三维结构模型为完整的阀门模型时，将所述内部流道网格模型中阀门内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件；若三维结构模型为相对于纵剖面的1/2阀门模型时，将所述内部流道网格模型中阀门内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件，同时将阀门纵剖面所在处设置对称边界条件。

作为优选，所述三维建模软件为solidworks、creo、inventor、ug/nx、catia、ansysworkbenchdesignmodeler或ansysworkbenchspaceclaim中的一种。

作为优选，所述网格划分软件为icemcfd、hypermesh、tgrid、pointwise、ansa、gridpro或ansysworkbenchmesh中的一种。

作为优选，所述计算流体力学软件为ansysfluent、ansyscfx、star-cd、star-ccm、numeca或openfoam中的一种。

作为优选，所述湍流模型为spalart-allmaras模型、standardk-ε模型、rngk-ε模型、realizablek-ε模型、standardk-ω模型、bslk-ω模型或sstk-ω模型中的一种。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本发明在无需反复理论计算与实验校正的前提下实现了对阀体结构的改善设计，大大推动了工业阀体的结构优化。

(2)本发明提出了针对阀门流道特征的流道特征系数，针对阀体的流道结构参数进行了量化的定义，将阀体的流道结构特征用流道特征系数来表征，通过改变流道特征系数，来改善阀内的流体流动，从而减少了阀内涡流的数量，提高了阀门的流通能力。

(3)本发明基于数值模拟方法，使阀内的流体流动实现了可视化，能够直观的确定阀内的涡流分布；同时，通过改变阀体的流道特征系数，消除了阀内的涡流，增大了阀门的流通能力，避免了繁琐复杂的理论计算与实验校正，大大简化了阀体的设计过程，为消除阀内涡流和提高阀门流通能力提供了新的思路。

附图说明

图1为实施例1中阀体的二维图纸；

图2为实施例1中根据阀体的二维模型建立的三维结构模型；

图3为实施例1中根据三维结构模型建立的内部流道网格模型；

图4为实施例1中初始结构下阀体结构的速度云图；

图5为图4中涡流位置的示意图；

图6为实施例1中流道特征系数的优化过程示意图；

图7为实施例1中第一次结构优化后的速度云图；

图8为实施例1中第二次结构优化后的速度云图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方法和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方法进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对阀体的流道结构，本发明提出了针对阀门流道特征的阀体流道特征系数，针对阀体的流道结构参数进行了量化的定义，将阀体的流道结构特征用阀体流道特征系数来表征，通过改变流道特征系数，来改善阀内的流体流动，减小阀内涡流的数量，提高阀门的流通能力。

该阀体结构优化方法的具体操作如下：

s1：根据步骤1)～7)依次进行，具体如下：

1)根据阀门的设计文件，通过三维建模软件构建待优化结构阀门的三维结构模型。在构建三维结构模型的过程中，当阀门的结构相对其纵剖面几何对称时，三维结构模型可以采用完整的阀门模型或者相对于纵剖面而言的1/2阀门模型。当阀门的结构相对其纵剖面几何不对称时，三维结构模型只能采用完整的阀门模型。

其中，阀门的纵剖面指的是阀门进口面中心点和出口面中心点的连线与阀体中轴线所在的平面。

2)根据三维结构模型建立阀门实体模型。若在构建三维结构模型时采用的是完整的阀门模型，则阀门实体模型也为完整的模型。若在构建三维结构模型时采用的是以纵剖面为边界的1/2阀门模型，则阀门实体模型也为一半的阀门模型。

3)根据阀门实体模型的内部流道，抽取出阀门内部流道模型。若在构建三维结构模型时采用的是完整的阀门模型，则此时构建的阀门内部流道模型为阀门内壁面、流体入口面与流体出口面包围成的三维几何空间结构。若在构建三维结构模型时采用的是以纵剖面为边界的1/2阀门模型，则此时构建的阀门内部流道模型为阀门内壁面、流体入口面、流体出口面与阀门纵剖面包围成的三维几何空间结构。

其中，阀门内壁面指的是阀门内部与流体的接触面；流体入口面指的是阀门内部流体流动空间与上游管道中流体流动空间的分隔面；流体出口面指的是套筒阀内部流体流动空间与下游管道中流体流动空间的分隔面。

4)将获得的阀门内部流道模型导入网格划分软件中，并将其离散为内部流道网格模型。

5)将获得的内部流道网格模型导入计算流体力学软件中，根据原始的设计文件，设置内部流道网格模型的进出口边界条件。

在该过程中，若文件中规定阀门入口面和出口面的压力值，则对流体入口面设置压力入口边界条件，压力值为设计文件中所述阀门的入口压力，对流体出口面设置压力出口边界条件，压力值为设计文件中所述阀门的出口压力；若文件中规定阀门入口面和出口面的速度值，则对流体入口面设置速度入口边界条件，速度值为设计文件中所述阀门的入口速度，对流体出口面设置速度出口边界条件，压力值为设计文件中所述阀门的出口速度；若文件中规定阀门入口面的压力值和出口面的速度值，则对流体入口面设置压力入口边界条件，压力值为设计文件中所述阀门的入口压力，对流体出口面设置速度出口边界条件，速度值为设计文件中所述阀门的出口速度；若文件中规定阀门入口面的速度和出口面的压力值，对流体入口面设置为速度入口边界条件，速度值为设计文件中所述阀门的速度值，对流体出口面设置为压力出口边界条件，压力值为设计文件中所述阀门的压力值。

6)若在构建三维结构模型时采用的是完整的阀门模型，则将内部流道网格模型中阀门内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件。若在构建三维结构模型时采用的是以纵剖面为边界的1/2阀门模型，则将内部流道网格模型中阀门内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件，同时将阀门纵剖面所在处设置对称边界条件。

7)对内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性，其中，流体密度与流体粘性数值等物性参数均根据阀门的原始设计文件确定。

s2：在s1的基础上，通过计算流体力学软件，选择相应的湍流模型并设置其余的参数后开始进行计算。当计算收敛后，选择计算结果中的速度结果，以阀门的纵剖面为对象，绘制该纵剖面所在处的速度云图。在阀门纵剖面速度云图的基础上，绘制纵剖面上的流线，并根据流线分布，确定速度云图上的涡流位置和数量。

其中，涡流在速度云图上的特征为漩涡状，其与正常流动区域有明显区别，能够很容易被识别出。

s3：根据s2中速度云图上的涡流位置和数量，择一执行s31或s32，具体如下：

s31：若s2中的速度云图上没有涡流存在，则现有的该阀体结构无需优化，可以直接结束优化过程。

s32：若s2中的速度云图上有涡流存在，则过每个涡流的中心点作一条与其距离最近阀体内壁面的垂直线。该壁面在几何上为具有相同参数的一部分壁面，如具有相同锥度的圆锥面或者具有相同半径的圆柱面。

将该垂直线与阀体内壁面的交汇点记为点a，与阀体中轴线的交汇点记为点b。将点a和点b之间构成的线段ab记为与涡流相关的流道特征系数rab。

s4：根据s32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面类型，择一执行s41～s45或s51～s54，具体如下：

s41：若s32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面为曲面，且其曲率中心点在阀体内部时，则将该阀体内壁面初始的流道特征系数记为rab1。通过三维建模软件将该阀体内壁面变为平面，此时的流道特征系数记为rab2。由于不同的流道特征系数对应的阀体结构也有所不同，在流道特征系数为rab2的情况下，根据此时的阀体结构重复s1～s2的操作，来判断当流道特征系数为rab2时的涡流是否消失。

s42：若s41中的涡流消失，则结束该优化过程，此时流道特征系数对应下的阀体结构即为最优结构。

若s41中的涡流未消失，则定义δr12＝rab1-rab2，并将s41中原来的流道特征系数rab2变为rab3＝rab2-δr12。根据此时的阀体结构重复s1～s2的操作，来判断当流道特征系数为rab3时的涡流是否消失。

s43：若s42中的涡流消失，则结束该优化过程，此时流道特征系数对应下的阀体结构即为最优结构。

若s42中的涡流未消失，则定义δr23＝rab2-rab3，并将s42中原来的流道特征系数rab3变为rab4＝rab3-δr23。根据此时的阀体结构重复s1～s2的操作，来判断当流道特征系数为rab4时的涡流是否消失。

…

s4j：若s4i中的涡流消失，则结束该优化过程，此时流道特征系数对应下的阀体结构即为最优结构。

若s4i中的涡流未消失，则定义δrij＝rabi-rabj，并将s4i中原来的流道特征系数rabj变为rabj+1＝rabj-δrij。根据此时的阀体结构重复s1～s2的操作，来判断当流道特征系数为rabj+1时的涡流是否消失。其中，i的初始值为1，j的初始值为2。

s4j+1：若s4j中的涡流消失，则结束优化过程。

若s4j中的涡流未消失，则对i和j均执行加1操作，重新根据s4j的操作继续优化流道特征系数，直至涡流消失。

s51：若s32中与涡流中心点距离最近的阀体内壁面为平面时，则将该阀体内壁面初始的流道特征系数记为r’ab1。

s52：将该流道特征系数变为r’ab2＝r’ab1-0.05r’ab1。根据此时的阀体结构重复s1～s2的操作，来判断当流道特征系数为r’ab2时的涡流是否消失。

s53：若s52中的涡流消失，则结束优化过程。

若s52中的涡流未消失，则将流道特征系数变为r’ab3＝r’ab2-0.05r’ab2。根据此时的阀体结构重复s1～s2的操作，来判断当流道特征系数为r’ab3时的涡流是否消失。

…

s5i+1：若s5i中的涡流消失，则结束优化过程。

若s5i中的涡流未消失，则将流道特征系数变为r’abi+1＝r’abi-0.05r’abi。根据此时的阀体结构重复s1～s2的操作，来判断当流道特征系数为r’abi+1时的涡流是否消失。其中，i的初始值为1。

s5i+2：若s5i+1中的涡流消失，则结束优化过程。

若s5i+1中的涡流未消失，则对i执行加1操作，根据s5i+1的操作继续优化流道特征系数，直至涡流消失。

在实际应用过程中，三维建模软件可以采用solidworks、creo、inventor、ug/nx、catia、ansysworkbenchdesignmodeler或ansysworkbenchspaceclaim中的一种。网格划分软件可以采用icemcfd、hypermesh、tgrid、pointwise、ansa、gridpro或ansysworkbenchmesh中的一种。计算流体力学软件可以采用ansysfluent、ansyscfx、star-cd、star-ccm、numeca或openfoam中的一种。湍流模型可以采用spalart-allmaras模型、standardk-ε模型、rngk-ε模型、realizablek-ε模型、standardk-ω模型、bslk-ω模型或sstk-ω模型中的一种。

实施例1

s1：如图1所示，为待优化结构的减压阀阀体的二维图纸。根据阀门的设计文件，通过三维建模软件构建该阀门的三维结构模型，构建的减压阀三维结构模型如图2所示。由图2可以看出，该阀体结构是关于阀体的纵向剖切面对称的，故可建立关于剖切面对称的1/2阀体模型。在三维建模软件中，建立该减压阀的实体模型。根据该阀门实体模型的内部流道，抽取出阀门内部流道模型。由于本实施例中阀门三维结构模型为相对于纵剖面的1/2阀门模型，即阀门内部流道模型为阀门内壁面、流体入口面、流体出口面与阀门纵剖面包围成的三维几何空间。通过网格划分软件，将阀门内部流道模型离散为内部流道网格模型，如图3所示，为利用fluent自带的网格划分软件进行划分的内部流道网格模型。

将得到的内部流道网格模型导入计算流体力学软件fluent软件中，并根据设计文件，将内部流道网格模型的压力进口边界条件设置为入口压力10mpa，压力出口边界条件设置为入口压力1mpa。将内部流道网格模型中阀门内壁面所在处设置无滑移壁面边界条件，同时将阀门纵剖面所在处设置对称边界条件。根据设计文件对内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性。

s2：在计算流体力学fluent软件中，选择相应的湍流模型并设置其余参数后开始计算。计算收敛后，在所述计算流体力学fluent软件或者其配套后处理软件tecplot中进行计算结构的后处理；所述的后处理步骤为：选择计算结果中的速度结果，选择所述阀门的纵剖面为对象，绘制在纵剖面上的速度云图中，如图4所示。在速度云图的基础上，绘制纵剖面上的流线，根据流线分布，确定涡流的位置，涡流在流线图上的特征为漩涡状，其与正常流动区域有明显区别，如图5所示。

s3：如图5所示，共有涡流3个，现选取涡流1举例进行优化过程。

如图6所示，过涡流1的中心点作与其距离最近阀体内壁面的垂直线。将垂直线与阀体内壁面的交汇点记为点a，与阀体中轴线的交汇点记为点b，将点a和点b之间构成的线段ab记为与涡流相关的流道特征系数rab。

s4：由于与s3中涡流中心点距离最近的阀体内壁面为曲面，且其曲率中心点在阀体内部时，则将该阀体内壁面初始的流道特征系数记为rab1。通过三维建模软件将该阀体内壁面变为平面，此时的流道特征系数记为rab2。在该阀门结构的情况下重复s1～s2，判断当流道特征系数为rab2时的涡流是否消失，第一次结构优化后的速度云图如图7所示。

从图7可以看出，该涡流仍然存在。则定义δr12＝rab1-rab2，将流道特征系数变为rab3，rab3的值为rab3＝rab2+δr12。在该阀门结构的情况下重复s1～s2，判断当流道特征系数为rab3时的涡流是否消失，第二次结构优化后的速度云图如图8所示。

从图8中可以看出，该结构下的涡流已经全部消失，此时的阀体结构即为最佳结构，可以直接输出，无需继续优化。

本发明提供了一种基于涡流分布的阀体结构优化方法，能够在进行阀体结构优化的基础上，通过消除阀内存在的涡流，提高阀门的流通能力，从而达到改善阀门性能的目的，同时避免反复的理论计算与实验校正。

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。