一种基于CFD的阀门传热模拟方法与流程

本发明涉及阀门领域，具体涉及一种基于cfd的阀门传热模拟方法。

背景技术

对于在高温和低温工况中使用的阀门，我们首先要考虑其填料处的温度，温度过高或过低都将影响填料的密封性能；其次，要考虑阀门整体温度分布状况，避免阀门周围仪表受温度影响而不能正常工作。

鉴于此种情况，了解阀门在具体工况下的温度分布十分重要。目前，可通过现场测量的方式测量其温度分布，这是比较准确的方式。但此种方式成本较高，且效率低下。而且对于阀门内部的温度分布，测试工具是无法实现测量的。急需一种快速、准确、高效的方式解决温度测量的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于cfd的阀门传热模拟方法。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于cfd的阀门传热模拟方法，包括以下步骤：步骤1.建立阀门的三维模型；步骤2.对所述阀门的三维模型进行前处理；步骤3.根据前处理结果进行求解。

优选地，所述前处理包括：

步骤21.建立阀门介质流动区域；

步骤22.将阀门零部件及阀门介质流动的区域生成非结构化网格；

步骤23.根据所述的非结构化网络生成网格文件。

优选地，所述前处理还包括：去掉模型中比较细小的特征，如倒圆、倒角；同时去掉对传热影响较小的零部件，如螺丝、螺母。

优选地，所述步骤3包括以下子步骤：

选取与介质流动相关的湍流模型；

设置阀门各零部件材料属性以及介质材料属性；

设置阀门介质流动的边界条件、进口压力边界条件或速度边界条件、出口压力边界条件；将与空气接触的面设置成对流换热面；

模拟计算，直至残差曲线稳定收敛后结束计算。

优选地，该方法还包括步骤4.根据求解的结果进行后处理。

优选地，所述后处理包括：

显示流体介质的速度矢量图，查看介质流动状况。

优选地，所述后处理还包括：显示对称面上所有零部件及介质的温度分布云图，查看各位置的具体温度分布。

优选地，所述后处理还包括：单独显示填料处温度分布云图。

如上所述，本发明的一种基于cfd的阀门传热模拟方法，具有以下有益效果：

1.将流体流动与阀门内件的对流换热、实体零件的导热、零部件与空气的对流换热充分考虑，与实际的工况条件基本一致，体现其准确性。

2.依靠操作软件实现对现场工况的再现，指导阀门设计，体现其快速、高效。

3.通过数值模拟，阀门各零部件的实际温度分布云图可清晰可见，更加直观。

4.对于不同的工况，可添加不同的边界条件，各种复杂工况均可模拟，实用性较广。

附图说明

图1为阀门的三维半剖模型；

图2为残差曲线图；

图3为阀门的三维模型；

图4为阀门内部介质流动矢量图；

图5为阀门传热模拟的温度分布云图；

图6为阀门石墨填料的温度分布情况；

图7为传热模拟流程图；

图8为阀门各面的命名图。

其中，1对流换热面、2进口、3对称面、4出口、5介质流通区域、6阀体、7上阀盖、8填料、9支架、10下膜盖、11上膜盖。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种基于cfd的阀门传热模拟方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤1.建立阀门的三维模型。

具体地，以阀门中心为原点，建立阀门完整的三维装配模型。

步骤2.对所述阀门的三维模型进行前处理。由于阀门的三维模型为对称模型，因此采用一半模型做仿真模拟。

具体地，步骤2包括以下子步骤：

a.在ansysworkbench平台下选用fluidflow(fluent)模块，在dm中将阀门介质流动的区域建立出来，以便做介质流动的模拟。

b.去掉模型中比较细小的特征，如倒圆、倒角之类的，同时去掉对传热影响较小的零部件，如部分螺丝、螺母等。

c.将阀门零部件及阀门介质流动的区域均生成非结构化网格，做好边界面的命名，包括进口2、出口4(与进口相对的面)、对称面3、对流换热面1，以便在fluent中将其区别开来，如图8所示。

d.导出适用于fluent计算的网格文件。

步骤3.根据前处理结果进行求解。

根据流动基本方程

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：

其中，ρ表示密度，t表示时间，div表示散度，u表示速度矢量，u表示x方向的速度，v表示y方向的速度，w表示z方向的速度，μ表示动力粘度，grad表示梯度，t表示温度，p表示流体微元体上的压力，su、sv、sw表示动量守恒方程的广义源项，k表示流体的传热系数，c表示比热容，st表示流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分。

在fluent中做数值模拟计算，可以得到及其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量(速度、压力、温度、浓度等)的分布情况，具体操作如下：

a.打开fluent软件，导入之前生成的网格文件。

b.选取与介质流动相关的正确的湍流模型。

c.正确设置阀门各零部件材料属性，包括密度、比热、热传导系数等，保证固体材料传热的准确性；设置介质材料属性，包括密度、比热、热传导系数、动力粘度等，保证其流动状态的准确性。

d.将之前设置的材料赋给各零部件及介质。

e.设置阀门介质流动的边界条件，进口给定压力边界条件或速度边界条件，出口给定压力边界条件，与空气接触的面设置成对流换热面，并填写对流换热系数。

f.模拟计算，直至残差曲线稳定收敛后结束计算。残差曲线如图2所示，包括连续性残差曲线continuity、速度残差曲线(x-velosity、y-velosity、z-velosity)、能量残差曲线energy、k残差、omega或者epsilon残差曲线，所有残差曲线基本收敛，计算结束。

步骤4.根据求解的结果进行后处理。

a.显示流体介质的速度矢量图，查看介质流动状况。

b.显示对称面上所有零部件及介质的温度分布云图，查看各位置的具体温度分布。

c.单独显示填料处温度分布云图。

步骤5.方案改进

对于填料位置的温度，若温度过高，则更改上阀盖结构、增加上阀盖高度；若温度相对不高，则更改上阀盖结构、降低上阀盖高度。

本实施例，采用的阀门为dn50class300，介质：蒸汽，阀门前端压力3mpa，阀后压力0.5mpa，蒸汽温度300摄氏度，阀门材质均使用sus304，填料为石墨，支架及膜盖使用碳钢，假设现场的对流换热系数为20w/(m²*k)，模拟结果如图4～6所示。由图4～6可以得到填料处温度为200℃。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。