周曉明，汪志琨，張逸芳

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基于CFD和網(wǎng)格自適應的流量系數(shù)計算方法

周曉明1,2，汪志琨1，張逸芳2

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

針對某100%開度的蝶閥進行流場和流量系數(shù)的仿真計算，綜合運用了+自適應和速度梯度自適應技術(shù)對閥門內(nèi)流場的網(wǎng)格模型進行不同程度的優(yōu)化。參照國家標準實驗測量了該閥門的流量系數(shù)，以該系數(shù)為標準來評價仿真方法的準確性。結(jié)果表明，基于網(wǎng)格自適應的CFD仿真方法能準確地預測閥門的流量系數(shù)，網(wǎng)格自適應技術(shù)的運用可以有效地提高計算精度，并減少人工優(yōu)化網(wǎng)格的難度和工作量。

計算流體動力學; 流量系數(shù); 網(wǎng)格自適應; 閥門

閥門廣泛應用于能源、化工等多個工業(yè)領(lǐng)域，在國計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。目前國內(nèi)的很多閥門生產(chǎn)廠家仍然使用實驗的方法對閥門的流量系數(shù)進行測量，但是實驗成本高、周期長，且實驗設備需要定期維護以保證實驗的精度。另一方面，對于具有特大口徑、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驗的方法對其進行流量系數(shù)測定[1-3]。此外，實驗的方法不能直觀地反映閥門內(nèi)部流場的流動情況，難以在閥門設計階段起到很好的指導作用。

隨著計算機技術(shù)和CFD的發(fā)展，基于CFD的數(shù)值仿真可以準確、快速而且可視化地反映復雜流場的細節(jié)特征。運用CFD方法進行閥門流通能力的分析將是現(xiàn)有實驗方法的有效補充，同時也有助于設計人員了解閥門結(jié)構(gòu)對內(nèi)部流場的影響規(guī)律。國內(nèi)外對此已經(jīng)展開了一些研究，例如文獻[4]運用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)，對比評價了二者的流通能力；文獻[5]研究了某球閥在不同開度下的流動特性，并分析計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[6-8]采用數(shù)值仿真方法就其研制的電動蝶閥、調(diào)節(jié)型球閥和自動流量平衡閥的流量特性開展了一系列數(shù)值仿真和實驗研究。

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

計算規(guī)模大、精度要求高是閥門CFD仿真的兩大主要特點。眾所周知，網(wǎng)格是影響CFD仿真精度和計算效率的重要因素。隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，結(jié)果精度一般也會提高，但計算時間也會隨之增加，所以在劃分網(wǎng)格時需要綜合考慮精度和效率兩個方面[9]。在閥門內(nèi)流場的CFD仿真中，通常需要對模型的不同局部設置不同的網(wǎng)格密度，并進行大量手工加密處理。這些經(jīng)驗性的設置和處理不僅工作量較大，而且會對計算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，導致計算精度存在一定的不確定性，限制了CFD方法在國內(nèi)閥門制造行業(yè)的推廣應用。

FLUENT中提供的網(wǎng)格自適應技術(shù)可以對流場中敏感的區(qū)域進行有針對性的自動加密，從而提高仿真精度，節(jié)省人工加密網(wǎng)格的工作量。網(wǎng)格自適應技術(shù)在很多工程應用中都產(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)在閥門流場仿真中的應用報道。本文以江蘇神通閥門股份有限公司的DN500蝶閥為例，綜合運用CFD和網(wǎng)格自適應技術(shù)對其流場進行仿真，并結(jié)合實驗分析不同網(wǎng)格規(guī)模和入口條件下網(wǎng)格自適應技術(shù)的應用效果，以推動閥門領(lǐng)域的CFD仿真技術(shù)的發(fā)展和應用。

1 原理與方法

1.1 流量系數(shù)計算

在通過仿真或?qū)嶒灥姆椒ㄓ嬎汩y門流量系數(shù)時需要監(jiān)測進出口管道的壓力差和流量，閥門的流量系數(shù)為：

國家標準[15]規(guī)定，實驗閥門的凈壓差是測得的閥門前后取壓孔的壓差(閥門及實驗管道總壓差)與測試管道本身(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”兩種流場模型，分別如圖2a、圖2b所示。參照國家標準[15]對閥門流量系數(shù)測試的規(guī)定，“閥門-管道”模型中閥門前端到取壓孔的管道長度為閥門的5倍公稱直徑，閥門后端到取壓孔的管道長度為閥門的10倍公稱直徑；“直管道”流場模型總長則為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”流場模型???b. “直管道”流場模型

1.2.2 網(wǎng)格劃分

本文運用ICEM CFD軟件對閥門的流體區(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)流場的初始網(wǎng)格

1.2.3 求解設置

(3)

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

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

對于初始劃分的網(wǎng)格模型，本文在試運算后綜合采用了FLUENT軟件中的+自適應和速度梯度自適應技術(shù)進一步優(yōu)化網(wǎng)格。

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

針對本文模型，在速度梯度自適應過程中，選取的自適應方法為Gradient，標準化方式為Standard。自適應函數(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軟件會自動對高于此加密閥值的網(wǎng)格進行加密[16]。

標準壁面函數(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)格有可能導致計算結(jié)果不可靠[17]。+網(wǎng)格自適應技術(shù)則根據(jù)壁面網(wǎng)格+值大小對網(wǎng)格進行優(yōu)化。

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

1.3 實驗

參照國家標準[15]，搭建的實驗平臺如圖4所示。實驗閥門連接管道和取壓孔的長度分別為1232531045515，其中為管道公稱直徑。

1. 上游閥門 2. 溫度計 3. 流量測量儀表 4. 直管段取壓孔 5. 直管段壓差測量儀表 6. 壓力測量儀表 7. 試驗閥門管段壓差測量儀表 8. 上游取壓孔 9. 試驗閥門 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

本文應用+自適應的主要目的是優(yōu)化近壁面區(qū)域的網(wǎng)格。對于前面建立的蝶閥模型，運用+自適應優(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+自適應后邊界層網(wǎng)格明顯加密。

a．無+自適應

b．+自適應后

圖5+自適應前后近壁面處部分網(wǎng)格情況

速度梯度自適應的應用目的則是優(yōu)化閥門內(nèi)急變流區(qū)域的網(wǎng)格。對于前面建立的蝶閥模型，應用速度梯度自適應前后對稱面上蝶板附近的網(wǎng)格情況如圖6所示，可見自適應后在管道壁面、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

b. 梯度自適應后

圖6 梯度自適應前后網(wǎng)格情況

2.2 仿真計算結(jié)果

本文在進口流量為1 624.6 m3/h時，分別對4種不同規(guī)模的網(wǎng)格進行了3次網(wǎng)格自適應，一共進行了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)量的情況下分別設置進口流量為1 624.6 m3/h、2 029.9 m3/h、2 232.7 m3/h、2 356.0 m3/h，并且對每一組實驗進行2次網(wǎng)格自適應，共進行12次仿真計算。不同條件下的仿真計算結(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 實驗測量結(jié)果

通過前面介紹的實驗平臺對該蝶閥的流量系數(shù)進行檢測，共計算了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(分別對應仿真中的4種不同入口速度)下的流量系數(shù)，每組進行10次實驗，共得到40個數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 實驗檢測結(jié)果

由于本實驗閥門口徑較大，因此在實驗過程中較容易出現(xiàn)壓力和流量波動現(xiàn)象，尤其在大流量情況下會造成實驗設備振動，對傳感器的數(shù)據(jù)采集造成一定的影響。為保證實驗結(jié)果的準確度，按照行業(yè)通用方法和標準[15]規(guī)定，采用多次試驗取平均值的方法，將表3中實驗結(jié)果的平均值9 193.94 m3×h-1作為此閥門流量系數(shù)的最終測定值。

3 分析與討論

3.1 網(wǎng)格自適應對網(wǎng)格質(zhì)量的優(yōu)化

近壁面流動的處理對CFD仿真計算結(jié)果的準確度有很大影響。人工調(diào)整邊界層網(wǎng)格有可能提高對近壁面流動的仿真精度，但調(diào)整效果依賴操作人員的經(jīng)驗，而且工作量很大。本文研究發(fā)現(xiàn)在閥門流量系數(shù)的仿真計算中，通過適當次數(shù)的+自適應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)格省時省力，而且對操作者的專業(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。對急變流區(qū)域的網(wǎng)格細化可有效地降低誤差，但閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，正確地預估所有急變流產(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)，應用速度梯度自適應的方法可對敏感區(qū)域進行有效捕捉，并有針對性地自動加密網(wǎng)格，從而避免了人工加密網(wǎng)格的盲目性，同時也減少了工作量。

3.2 不同規(guī)模初始網(wǎng)格下自適應效果

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)果以及與實驗測得的平均流量系數(shù)，可得不同規(guī)模初始網(wǎng)格下仿真計算的相對誤差，如圖7所示。

圖7 不同規(guī)模初始網(wǎng)格自適應前后相對誤差

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

3.3 不同邊界條件下自適應效果

基于表2在同樣初始網(wǎng)格、不同進口流量情況下的仿真計算結(jié)果與實驗測得的平均流量系數(shù)，可得在不同邊界條件下仿真計算的相對誤差，如圖8所示。

圖8 不同邊界條件自適應前后相對誤差

由圖8可見，針對不同的入口條件，基于CFD仿真的流量系數(shù)計算方法都具有較高的準確性，而且應用網(wǎng)格自適應方法后，相對誤差更進一步減小。在較大的入口流量范圍內(nèi)，仿真和實驗誤差保持在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

針對現(xiàn)有實驗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驗研究。研究結(jié)果表明：

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

2) 經(jīng)過幾次自適應后，誤差曲線趨于收斂，綜合考慮計算精度和計算效率兩個因素，自適應次數(shù)不宜過多，且采用更大規(guī)模的初始網(wǎng)格結(jié)合網(wǎng)格自適應技術(shù)可以更進一步提高計算精度。

3) 經(jīng)過網(wǎng)格自適應后仿真得到的流量系數(shù)與實驗值的相對誤差很小(1%～3%)，故本文的閥門流量系數(shù)仿真計算方法可作為實驗方法的有效補充，而且計算過程簡單快捷，數(shù)據(jù)信息更為豐富，從而可以更加有效地推動閥門結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計。

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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

國家自然科學基金(51206019)；江蘇省博士后科研資助計劃(1501030A)

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