基于CFD和網(wǎng)格自適應(yīng)的流量系數(shù)計(jì)算方法

周曉明，汪志琨，張逸芳

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基于CFD和網(wǎng)格自適應(yīng)的流量系數(shù)計(jì)算方法

周曉明1,2，汪志琨1，張逸芳2

(1. 電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院 成都 611731；2. 江蘇神通閥門股份有限公司 江蘇南通 226232)

針對(duì)某100%開度的蝶閥進(jìn)行流場(chǎng)和流量系數(shù)的仿真計(jì)算，綜合運(yùn)用了+自適應(yīng)和速度梯度自適應(yīng)技術(shù)對(duì)閥門內(nèi)流場(chǎng)的網(wǎng)格模型進(jìn)行不同程度的優(yōu)化。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量了該閥門的流量系數(shù)，以該系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)仿真方法的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，基于網(wǎng)格自適應(yīng)的CFD仿真方法能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)閥門的流量系數(shù)，網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的運(yùn)用可以有效地提高計(jì)算精度，并減少人工優(yōu)化網(wǎng)格的難度和工作量。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué); 流量系數(shù); 網(wǎng)格自適應(yīng); 閥門

閥門廣泛應(yīng)用于能源、化工等多個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，在國(guó)計(jì)民生中起著非常重要的作用。閥門的流量系數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)，在保持恒定的壓力條件下管道內(nèi)的介質(zhì)流經(jīng)閥門的總流量。流量系數(shù)反映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(guó)內(nèi)的很多閥門生產(chǎn)廠家仍然使用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)閥門的流量系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，但是實(shí)驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，且實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要定期維護(hù)以保證實(shí)驗(yàn)的精度。另一方面，對(duì)于具有特大口徑、特殊介質(zhì)和特殊工況(如極端溫度)下的特種閥門很難通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)其進(jìn)行流量系數(shù)測(cè)定[1-3]。此外，實(shí)驗(yàn)的方法不能直觀地反映閥門內(nèi)部流場(chǎng)的流動(dòng)情況，難以在閥門設(shè)計(jì)階段起到很好的指導(dǎo)作用。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CFD的發(fā)展，基于CFD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(chǎng)的細(xì)節(jié)特征。運(yùn)用CFD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(shí)也有助于設(shè)計(jì)人員了解閥門結(jié)構(gòu)對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)的影響規(guī)律。國(guó)內(nèi)外對(duì)此已經(jīng)展開了一些研究，例如文獻(xiàn)[4]運(yùn)用CFD方法分析了某單蝶板和雙蝶板蝶閥在不同開度下的流量系數(shù)和流阻系數(shù)，對(duì)比評(píng)價(jià)了二者的流通能力；文獻(xiàn)[5]研究了某球閥在不同開度下的流動(dòng)特性，并分析計(jì)算了球閥的流阻系數(shù)和流量系數(shù)隨雷諾數(shù)等因素變化的規(guī)律；文獻(xiàn)[6-8]采用數(shù)值仿真方法就其研制的電動(dòng)蝶閥、調(diào)節(jié)型球閥和自動(dòng)流量平衡閥的流量特性開展了一系列數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究。

現(xiàn)有研究已證明CFD仿真能夠應(yīng)用于閥門流量系數(shù)的預(yù)測(cè)，在閥門的性能分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)中有望起到關(guān)鍵的作用。但現(xiàn)有相關(guān)研究普遍局限于運(yùn)用通用方法求解特定的閥門流場(chǎng)問題，而對(duì)解決這一問題的CFD仿真方法仍缺乏針對(duì)性的研究。

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(huì)提高，但計(jì)算時(shí)間也會(huì)隨之增加，所以在劃分網(wǎng)格時(shí)需要綜合考慮精度和效率兩個(gè)方面[9]。在閥門內(nèi)流場(chǎng)的CFD仿真中，通常需要對(duì)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(huì)對(duì)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方法在國(guó)內(nèi)閥門制造行業(yè)的推廣應(yīng)用。

FLUENT中提供的網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)可以對(duì)流場(chǎng)中敏感的區(qū)域進(jìn)行有針對(duì)性的自動(dòng)加密，從而提高仿真精度，節(jié)省人工加密網(wǎng)格的工作量。網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)在很多工程應(yīng)用中都產(chǎn)生了明顯的效果[10-14]，但是目前尚未發(fā)現(xiàn)這一技術(shù)在閥門流場(chǎng)仿真中的應(yīng)用報(bào)道。本文以江蘇神通閥門股份有限公司的DN500蝶閥為例，綜合運(yùn)用CFD和網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行仿真，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析不同網(wǎng)格規(guī)模和入口條件下網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用效果，以推動(dòng)閥門領(lǐng)域的CFD仿真技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

1 原理與方法

1.1 流量系數(shù)計(jì)算

在通過仿真或?qū)嶒?yàn)的方法計(jì)算閥門流量系數(shù)時(shí)需要監(jiān)測(cè)進(jìn)出口管道的壓力差和流量，閥門的流量系數(shù)為：

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15]規(guī)定，實(shí)驗(yàn)閥門的凈壓差是測(cè)得的閥門前后取壓孔的壓差(閥門及實(shí)驗(yàn)管道總壓差)與測(cè)試管道本身(不包含閥門)的壓差的差值。

1.2 CFD仿真

1.2.1 流場(chǎng)模型

本文研究的蝶閥主要包含閥體、蝶板、閥桿、密封圈、壓圈等零件，如圖1所示。

為滿足式(1)中凈壓差的要求，在仿真中要建立“閥門-管道”和“直管道”兩種流場(chǎng)模型，分別如圖2a、圖2b所示。參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15]對(duì)閥門流量系數(shù)測(cè)試的規(guī)定，“閥門-管道”模型中閥門前端到取壓孔的管道長(zhǎng)度為閥門的5倍公稱直徑，閥門后端到取壓孔的管道長(zhǎng)度為閥門的10倍公稱直徑；“直管道”流場(chǎng)模型總長(zhǎng)則為15倍公稱直徑。

1. 閥桿 2. 蝶板 3. 密封圈 4. 壓圈 5. 閥體

a.“閥門-管道”流場(chǎng)模型???b. “直管道”流場(chǎng)模型

1.2.2 網(wǎng)格劃分

本文運(yùn)用ICEM CFD軟件對(duì)閥門的流體區(qū)域模型劃分不同類型的初始網(wǎng)格，其中管道區(qū)域劃分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而閥門附近劃分為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖3所示。直管道流體區(qū)域模型全部劃分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

圖3 蝶閥內(nèi)流場(chǎng)的初始網(wǎng)格

1.2.3 求解設(shè)置

(3)

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15]，本文選擇工作介質(zhì)為水，并設(shè)置邊界條件為質(zhì)量流率進(jìn)口、壓力出口，壁面為無滑移固體壁面，近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)，采用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器和SIMPLE(semi-implicit method for pressure linked equations)算法進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值求解。

1.2.4 基于網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)的網(wǎng)格優(yōu)化

對(duì)于初始劃分的網(wǎng)格模型，本文在試運(yùn)算后綜合采用了FLUENT軟件中的+自適應(yīng)和速度梯度自適應(yīng)技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)格。

速度梯度自適應(yīng)假設(shè)仿真誤差出現(xiàn)在速度梯度較大的區(qū)域，并基于此對(duì)存在較大速度梯度區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行自動(dòng)加密。三維模型的梯度自適應(yīng)指示函數(shù)為：

針對(duì)本文模型，在速度梯度自適應(yīng)過程中，選取的自適應(yīng)方法為Gradient，標(biāo)準(zhǔn)化方式為Standard。自適應(yīng)函數(shù)云圖能夠反映出|e|的變化范圍，據(jù)此可以得出模型的加密閥值，則FLUENT軟件會(huì)自動(dòng)對(duì)高于此加密閥值的網(wǎng)格進(jìn)行加密[16]。

標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法要求第一層網(wǎng)格滿足30<+< 300，不滿足這一條件的邊界層網(wǎng)格有可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不可靠[17]。+網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)則根據(jù)壁面網(wǎng)格+值大小對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化。

本文工作中，對(duì)+自適應(yīng)過程設(shè)置粗化閥值和加密閥值分別為30和200，F(xiàn)LUENT基于此自動(dòng)對(duì)壁面處的網(wǎng)格進(jìn)行粗化或加密。具體操作過程為：在每組仿真中針對(duì)初始網(wǎng)格首先進(jìn)行試運(yùn)算，計(jì)算收斂(進(jìn)出口壓力不再變化)后進(jìn)行第一次網(wǎng)格自適應(yīng)操作；接下來不改變其他條件，針對(duì)優(yōu)化后的網(wǎng)格再進(jìn)行計(jì)算，收斂后進(jìn)行第二次網(wǎng)格自適應(yīng)操作；以此類推，直到網(wǎng)格滿足要求(30<+<300)。其中，第一次自適應(yīng)過程先運(yùn)用速度梯度自適應(yīng)再運(yùn)用+自適應(yīng)優(yōu)化；之后的幾次網(wǎng)格自適應(yīng)過程只采用+自適應(yīng)對(duì)近壁面網(wǎng)格進(jìn)行優(yōu)化，直到滿足30<+<300的條件。

1.3 實(shí)驗(yàn)

參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[15]，搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。實(shí)驗(yàn)閥門連接管道和取壓孔的長(zhǎng)度分別為1232531045515，其中為管道公稱直徑。

1. 上游閥門 2. 溫度計(jì) 3. 流量測(cè)量?jī)x表 4. 直管段取壓孔 5. 直管段壓差測(cè)量?jī)x表 6. 壓力測(cè)量?jī)x表 7. 試驗(yàn)閥門管段壓差測(cè)量?jī)x表 8. 上游取壓孔 9. 試驗(yàn)閥門 10. 下游調(diào)節(jié)閥門 11. 下游調(diào)節(jié)閥

2 結(jié) 果

2.1 網(wǎng)格優(yōu)化結(jié)果

本文應(yīng)用+自適應(yīng)的主要目的是優(yōu)化近壁面區(qū)域的網(wǎng)格。對(duì)于前面建立的蝶閥模型，運(yùn)用+自適應(yīng)優(yōu)化前后的網(wǎng)格情況如圖5所示。由于模型尺度較大，圖中只顯示部分網(wǎng)格，可見經(jīng)過+自適應(yīng)后邊界層網(wǎng)格明顯加密。

a．無+自適應(yīng)

b．+自適應(yīng)后

圖5+自適應(yīng)前后近壁面處部分網(wǎng)格情況

速度梯度自適應(yīng)的應(yīng)用目的則是優(yōu)化閥門內(nèi)急變流區(qū)域的網(wǎng)格。對(duì)于前面建立的蝶閥模型，應(yīng)用速度梯度自適應(yīng)前后對(duì)稱面上蝶板附近的網(wǎng)格情況如圖6所示，可見自適應(yīng)后在管道壁面、蝶板以及閥后等速度梯度較大的區(qū)域網(wǎng)格明顯加密。

a．無梯度自適應(yīng)

b. 梯度自適應(yīng)后

圖6 梯度自適應(yīng)前后網(wǎng)格情況

2.2 仿真計(jì)算結(jié)果

本文在進(jìn)口流量為1 624.6 m3/h時(shí)，分別對(duì)4種不同規(guī)模的網(wǎng)格進(jìn)行了3次網(wǎng)格自適應(yīng)，一共進(jìn)行了16次仿真。仿真得到的流量系數(shù)如表1所示。

表1 不同網(wǎng)格規(guī)模下流量系數(shù)仿真結(jié)果

在417萬網(wǎng)格數(shù)量的情況下分別設(shè)置進(jìn)口流量為1 624.6 m3/h、2 029.9 m3/h、2 232.7 m3/h、2 356.0 m3/h，并且對(duì)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。不同條件下的仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 不同邊界條件下流量系數(shù)仿真結(jié)果

2.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

通過前面介紹的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)該蝶閥的流量系數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，共計(jì)算了1 624.6 m3/h、2 029.9 m3/h、2 232.7 m3/h、2 356.0 m3/h這4組不同流量(分別對(duì)應(yīng)仿真中的4種不同入口速度)下的流量系數(shù)，每組進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn)，共得到40個(gè)數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

由于本實(shí)驗(yàn)閥門口徑較大，因此在實(shí)驗(yàn)過程中較容易出現(xiàn)壓力和流量波動(dòng)現(xiàn)象，尤其在大流量情況下會(huì)造成實(shí)驗(yàn)設(shè)備振動(dòng)，對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)采集造成一定的影響。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，按照行業(yè)通用方法和標(biāo)準(zhǔn)[15]規(guī)定，采用多次試驗(yàn)取平均值的方法，將表3中實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均值9 193.94 m3×h-1作為此閥門流量系數(shù)的最終測(cè)定值。

3 分析與討論

3.1 網(wǎng)格自適應(yīng)對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)化

近壁面流動(dòng)的處理對(duì)CFD仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度有很大影響。人工調(diào)整邊界層網(wǎng)格有可能提高對(duì)近壁面流動(dòng)的仿真精度，但調(diào)整效果依賴操作人員的經(jīng)驗(yàn)，而且工作量很大。本文研究發(fā)現(xiàn)在閥門流量系數(shù)的仿真計(jì)算中，通過適當(dāng)次數(shù)的+自適應(yīng)可以有效改善邊界層網(wǎng)格，這種方法相比人工調(diào)整邊界層網(wǎng)格省時(shí)省力，而且對(duì)操作者的專業(yè)程度依賴性不高，有利于在工業(yè)界普遍推廣。

急變流區(qū)域的處理是影響CFD仿真精度的另一關(guān)鍵因素。對(duì)急變流區(qū)域的網(wǎng)格細(xì)化可有效地降低誤差，但閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，正確地預(yù)估所有急變流產(chǎn)生的區(qū)域十分困難，且手工加密網(wǎng)格的工作量也很大。本文研究發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用速度梯度自適應(yīng)的方法可對(duì)敏感區(qū)域進(jìn)行有效捕捉，并有針對(duì)性地自動(dòng)加密網(wǎng)格，從而避免了人工加密網(wǎng)格的盲目性，同時(shí)也減少了工作量。

3.2 不同規(guī)模初始網(wǎng)格下自適應(yīng)效果

基于表1在同樣邊界條件、不同初始網(wǎng)格數(shù)量情況下的仿真結(jié)果以及與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均流量系數(shù)，可得不同規(guī)模初始網(wǎng)格下仿真計(jì)算的相對(duì)誤差，如圖7所示。

圖7 不同規(guī)模初始網(wǎng)格自適應(yīng)前后相對(duì)誤差

由圖7可見：1) 在不同初始網(wǎng)格條件下，計(jì)算得到的相對(duì)誤差都隨著自適應(yīng)次數(shù)的增加逐漸減?。?) 對(duì)于同樣規(guī)模的初始網(wǎng)格，隨著自適應(yīng)次數(shù)的增加仿真計(jì)算的相對(duì)誤差逐漸減小，但在2~3次自適應(yīng)之后，誤差曲線趨于收斂；3) 更大規(guī)模的初始網(wǎng)格有助于提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。

3.3 不同邊界條件下自適應(yīng)效果

基于表2在同樣初始網(wǎng)格、不同進(jìn)口流量情況下的仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)得的平均流量系數(shù)，可得在不同邊界條件下仿真計(jì)算的相對(duì)誤差，如圖8所示。

圖8 不同邊界條件自適應(yīng)前后相對(duì)誤差

由圖8可見，針對(duì)不同的入口條件，基于CFD仿真的流量系數(shù)計(jì)算方法都具有較高的準(zhǔn)確性，而且應(yīng)用網(wǎng)格自適應(yīng)方法后，相對(duì)誤差更進(jìn)一步減小。在較大的入口流量范圍內(nèi)，仿真和實(shí)驗(yàn)誤差保持在1%～3%內(nèi)。以上結(jié)果表明了本文的仿真方法能夠適用于不同的入口條件，具有較好的通用性。對(duì)比于以前的仿真方法[18-19]，本文的方法具有較高的精度。

4 結(jié)束語

針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)方法研究閥門的流量系數(shù)所存在的問題，本文提出了基于網(wǎng)格自適應(yīng)的CFD仿真方法，并以100%開度的蝶閥為例開展了一系列仿真和實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：

1) Fluent中的+自適應(yīng)能有效改善邊界層網(wǎng)格，提高求解器在近壁面區(qū)域的計(jì)算精度；速度梯度自適應(yīng)能有效針對(duì)閥門內(nèi)流場(chǎng)急變流區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化，提高流場(chǎng)中速度梯度變化較大區(qū)域的計(jì)算精度。通過綜合運(yùn)用這兩種網(wǎng)格自適應(yīng)方法，在降低人工加密網(wǎng)格難度和工作量的同時(shí)，能有效提高閥門流量系數(shù)的仿真精度。

2) 經(jīng)過幾次自適應(yīng)后，誤差曲線趨于收斂，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率兩個(gè)因素，自適應(yīng)次數(shù)不宜過多，且采用更大規(guī)模的初始網(wǎng)格結(jié)合網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)可以更進(jìn)一步提高計(jì)算精度。

3) 經(jīng)過網(wǎng)格自適應(yīng)后仿真得到的流量系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差很小(1%～3%)，故本文的閥門流量系數(shù)仿真計(jì)算方法可作為實(shí)驗(yàn)方法的有效補(bǔ)充，而且計(jì)算過程簡(jiǎn)單快捷，數(shù)據(jù)信息更為豐富，從而可以更加有效地推動(dòng)閥門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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編 輯 葉 芳

Grid-Adaption Based CFD Method for the Flow Coefficient Calculation of Valves

ZHOU Xiao-ming1,2, WANG Zhi-kun1, and ZHANG Yi-fang2

(1. School of Mechatronics Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 611731; 2. Jiangsu Shentong Valve Co., Ltd Nantong Jiangshu 226232)

In this study, a series of computational fluid dynamics (CFD) simulations were performed with a 100% opening butterfly valve. Grid-adaption processes, including Y plus adaption and gradient adaption, were also applied to refine the meshes. To validate the CFD method, a series of experiments were also conducted according to the national standard of valves-test method of flow coefficient. The results show that the grid-adaption based CFD method can accurately predict the flow coefficients of valves, and the grid-adaption process can effectively improve the simulation accuracy while reducing the workload of mesh refinement.

CFD; flow coefficient; grid-adaption; valve

TH137

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2017.02.024

2016-03-30；

2016-11-02

國(guó)家自然科學(xué)基金(51206019)；江蘇省博士后科研資助計(jì)劃(1501030A)

周曉明(1983-)，男，博士，副教授，主要從事機(jī)械工程與熱物理等交叉領(lǐng)域方面的研究.