一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法

技术领域

本发明属于工业阀门设计领域，具体涉及一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法。

背景技术

闸阀是一种通过闸板位移来控制流体通断的阀门，其中大口径、大流量闸阀的阀位一般只有全开和全闭两种状态。关闭响应时间是闸阀的关键参数，大型闸阀常在高温高压的极端工况下执行全闭操作，其要求快速、准确，若闸阀未能实现从全开到全闭的快速响应，则会显著降低整个工艺系统的安全性，形成潜在事故隐患。国外个别重工业发达的国家，为检验即将投入重要领域的闸阀，如核电主蒸汽闸阀，专门建立了大型水力测试实验室，经过一系列检验、优化、再检验，才能确定该闸阀的关闭响应时间符合标准。然而，国内现有阀门生产厂家所提供的闸阀在关闭响应时间参数的领域仍有较大提升的空间，且因为国内缺少高技术力实验室可以给大型闸阀提供实验平台，整个测试过程费时费力，所以提出一种能够降低关闭响应时间的闸阀阀瓣型面的优化方法具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法。现有的闸阀阀瓣型面都是平面，本发明从闸阀阀瓣的型面优化入手，创新采用弧面式的设计理念；同时基于数值模拟的方法，提出完整的设计流程，用于获取该弧面关键参数的最佳值。本发明基于数值模拟，即依靠电子计算机，结合有限元法或有限体积法建立数学模型，对工程物理问题和求解近似解的方法。

本发明所采用的具体技术方案如下：

本发明提供了一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法，具体如下：

S1：建立阀门开度最大时的待优化闸阀三维模型，抽取阀内流道模型并将其离散为网格模型；利用流体分析软件，基于所述网格模型，赋予阀内介质的流体属性，设置进出口边界条件，将阀杆受到竖直向下的机械传动力作为自变量、将阀瓣下端距离阀座底部的高度设置为因变量，设置流体计算的湍流模型，将阀瓣外壁面设置为固定滑移面、阀杆外壁面及对称面设置为重构面，设置动网格方法、更新步长和监测时间点，得到动网格模型；

S2：通过流体分析软件计算所述动网格模型，待计算收敛后，输出以下内容：阀瓣从全开到回座的全流程历经时间，阀瓣外壁面的下降位移、速度和加速度，全流程中流道内的流体速度数据，阀瓣受流体冲击的外表面所受液力分布的数据；通过后处理软件，绘制网格模型纵对称面上随时间变化的速度云图，并根据该时间—速度云图绘制流线图；

S3：定义闸阀三维模型内某点到阀座的投影高度为H，入口流道顶端的高度为常量H

S4：基于步骤S2和S3的结果，当时刻为t

S5：基于步骤S4的结果，根据步骤S2所得流线图，得到当时刻为t

S61：若存在从阀瓣下部绕行至阀门出口的流线走向，则执行步骤S7；

S62：若所有流线均向上回转至阀瓣上部，则结束优化过程并执行步骤S8；

S7：定义ΔD＝0.05D

S8：令j＝i，计算η＝(T

作为优选，所述步骤S1中，通过网格划分软件将阀内流道模型离散为网格模型；所述网格划分软件为ANSYS mesh、icem、fluent meshing、TurboGrid、gambit、 HyperMesh中的一种或多种。

作为优选，所述动网格方法为Smoothing、Layering、Remeshing中的一种或多种；若动网格方法采用Smoothing和/或Remeshing，则需重构网格，评估总体初始网格并指定最大偏斜度、最小网格长度和最大网格长度。

作为优选，建立所述闸阀三维模型的软件为UnigraphicsNX、SolidWorks、AutoCAD、Creo、CATIA、Pro/Engineer、Cimatron中的一种或多种。

作为优选，所述流体分析软件为ANSYS Fluent、ANSYS CFX、Comsol、 XFLOW、shonDy、AICFD、CLABSO中的一种或多种。

作为优选，所述步骤S1中，若闸阀沿纵向正剖面对称，则抽取的阀内流道模型为阀门对称面、阀门进口、阀门出口、阀体内表面、阀芯阀座外表面所包围的半体积；若阀体不沿纵向剖面对称，则抽取的阀内流道模型为阀门进口、阀门出口、阀体内表面、阀芯阀座外表面所包围的全体积；所述纵向正剖面为进口中心点和出口中心的连线与阀门中轴线所在的平面。

作为优选，所述优化方法中，若闸阀只允许单向流动，则只需要对朝向流体流动一面的阀瓣型面进行优化；若闸阀允许双向流动，则需要对两面阀瓣型面都进行优化。

进一步的，若闸阀允许双向流动且沿纵向侧剖面对称，则在一面阀瓣型面优化完成之后，其对称面优化为同样的型面，优化总过程为一次；若闸阀允许双向流动且不沿纵向侧剖面对称，则需对阀瓣两面分别进行优化，优化总过程为两次；所述纵向侧剖面为和纵向正剖面垂直且阀门中轴线所在的平面。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)本发明实现了大流量闸阀的快速关闭功能，减小关闭响应时间，提升系统的安全性能；

(2)本发明采用阀瓣参数化设计方法，根据闸阀阀瓣的现有结构和流动情况，定量求取了减小闸阀响应时间结构参数的最优解，确保在已有条件下达到闸阀的最优性能；

(3)本发明基于数值模拟的阀瓣设计方法，能够快速评估闸阀的的关闭响应时间，进行阀瓣型面设计，避免了繁琐复杂的理论计算与实验校正，为工业闸阀的优化设计提供新的思路。

附图说明

图1为实施例1中闸阀的三维模型；

图2为实施例1中闸阀的网格模型；

图3为实施例1中闸阀的半剖面二维图纸及参数示意图；

图4为实施例1中闸阀在不同优化阶段中的阀内流道模型对称面流线图；

图5为实施例1中闸阀优化后阀瓣的半剖三维模型。

具体实施方式

为更易于理解，下面将结合阀瓣优化实例、模拟图例，详细阐述整个优化流程。显而易见，以下优化实例只是基于本发明所公开内容的优化方式的一种。其他阀门领域的技术工作者在没有产出创新性成果之前，一切基于本发明所实施的优化方案，都落于本发明的保护范围之内。

本发明提供了一种可加速关闭的闸阀阀瓣型面的优化方法，通过该方法优化后的闸阀结构，能够大大减小闸阀从全开到全关的响应时间，提升闸阀的使用性能；避免大多数假设和复杂计算，使结果更为可靠；降低设计成本，避免反复制造样机测试。本发明优化方法的具体实施方案如下：

S1：根据步骤1)～5)依次进行：

1)依照工程图纸，使用建模软件建立待优化闸阀三维模型，该闸阀初始模型的阀门开度为最大，将闸阀阀位设置为可变参数。

2)根据该三维模型的内部流道抽取阀内流道模型。若闸阀沿纵向正剖面对称，则抽取的阀内流道模型为阀门对称面、阀门进口、阀门出口、阀体内表面、阀芯阀座外表面所包围的半体积；若阀体不沿纵向剖面对称，则抽取的阀内流道模型为阀门进口、阀门出口、阀体内表面、阀芯阀座外表面所包围的全体积。上述纵向正剖面为进口中心点和出口中心的连线与阀门中轴线所在的平面。

3)使用网格划分软件将阀内流道模型离散为合适的网格模型。

4)通过流体分析软件，依照阀门的设计图纸，将阀内介质的流体属性赋予阀内流道模型内部的全部空间；设置所述流道模型进出口的边界条件；定义并输入阀杆受到竖直向下的机械传动力，将阀瓣下端距离阀座底部的高度设置为因变量；设置流体计算的湍流模型；将阀瓣外壁面设置为固定滑移面，阀杆外壁面及对称面设置为重构面。

5)设置动网格方法、更新步长和监测时间点，得到动网格模型。使用的动网格方法为Smoothing、Layering、Remeshing中的一种或多种，若采用Smoothing 和/或Remeshing需重构网格，则评估总体初始网格并指定最大偏斜度、最小网格长度、最大网格长度。

S2：根据S1的操作方法，通过流体分析软件计算上述动网格模型，待计算收敛后，根据步骤1)～4)依次进行：

1)输出全流程即阀瓣从全开到回座的历经时间；

2)输出阀瓣外壁面的下降位移、速度、加速度；

3)输出上述全流程流道模型内的流体速度数据；

4)输出阀瓣受流体冲击的外表面所受液力分布的数据；

5)通过后处理软件，绘制网格模型纵对称面上随时间变化的速度云图，并根据该时间—速度云图绘制流线图。

S3：定义两组变量：

1)闸阀三维模型内某点到阀座的投影高度为H，入口流道顶端的高度为常量H

2)根据S2中流体分析软件得到的阀瓣外壁面的下降位移、速度、加速度数据，得到当阀瓣加速度最大情况下，时刻为t

以上i的初始值都为1。

S4：定义两组变量：

1)在S2和S3的基础之上，根据阀瓣受流体冲击的外表面所受液力分布的数据，得到当阀瓣下端距离阀座底部的高度H

2)阀瓣从全开到回座的历经时间为T

以上i的初始值都为1。

S5：在S2和S4的基础上，根据流线图，得到当时刻为ti时阀内流道的流线图，确定在H

S61：根据步骤S5，若在H

S62：根据步骤S5，若在H

S7：定义ΔD＝0.1D

在上述优化过程中，

1)若闸阀只允许单向流动，则只需要对朝向流体流动一面的阀瓣型面进行优化，上述S1～S7执行一次；

2)若闸阀允许双向流动，且闸阀沿纵向侧剖面对称，则在一面阀瓣型面优化完成之后，其对称面更改为同样的型面，上述S1～S7执行一次；

3)若闸阀允许双向流动，且闸阀不沿纵向侧剖面对称，则需对阀瓣的两面分别进行优化，上述S1～S7执行两次。

上述纵向侧剖面为和纵向正剖面垂直且阀门中轴线所在的平面。

全部优化过程结束后，令j＝i，计算η＝(T

优化过程中，所建立的阀门三维模型基于以下软件中的一种或多种：UnigraphicsNX、SolidWorks、AutoCAD、Creo、CATIA、Pro/Engineer、Cimatron。所划分的网格基于以下软件中的一种或多种：ANSYS mesh、icem、fluent meshing、 TurboGrid、gambit、HyperMesh。用于计算流体力学的软件为以下中的一种或多种：ANSYS Fluent、ANSYS CFX、Comsol、XFLOW、shonDy、AICFD、CLABSO。

实施例1

以一座纵向侧向结构对称且单向流动的双闸版闸阀为例，依照工程图纸，基于建模软件SolidWorks建立闸阀三维模型，如图1所示。根据该三维模型的内部流道抽取阀内流道模型，该模型为阀门对称面、阀门进口、阀门出口、阀体内表面、阀芯阀座外表面所包围的半体积。

基于网格划分软件ANSYS mesh将阀内流道模型离散为合适的网格模型，如图2所示。通过流体分析软件ANSYS Fluent，将常温水属性赋予阀内流道模型内部的全部空间；设置所述流道模型进出口的速度边界条件；使用UDF定义并输入阀杆受到竖直向下的机械传动力，将阀瓣下端距离阀座底部的高度设置为因变量；设置流体计算的湍流模型为Standard k-ε模型；将阀瓣外壁面设置为固定滑移面，阀杆外壁面及对称面设置为重构面。设置动网格方法、更新步长、监测时间点。使用的动网格方法为Smoothing和Remeshing，评估总体初始网格并指定最大偏斜度、最小网格长度、最大网格长度。

通过流体分析软件ANSYS mesh计算上述动网格模型，待计算收敛后，输出：全流程即阀瓣从全开到回座的历经时间；阀瓣外壁面的下降位移、速度、加速度；上述全流程流道模型内的流体速度数据；阀瓣受流体冲击的外表面所受液力分布的数据。通过后处理软件，绘制网格模型纵对称面上随时间变化的速度云图，并根据该时间—速度云图绘制流线图。

如图3所示，定义变量：闸阀三维模型内某点到阀座的投影高度为H，入口流道顶端的高度为常量H

根据流线图，得到当时刻为t

……，重新依次执行上述所有操作，i＝3。

……，当i＝4时得到t

……，重新依次执行上述所有操作，i＝5。

……，重新依次执行上述所有操作，i＝6。

……，当i＝7时得到t

由于该双闸版闸阀为单向流动阀，故无需多次优化。计算η＝(T

相较于传统优化方法，本发明将数值模拟应用于闸阀优化有以下两点优势：优化直观，能够快速改变模型参数并对比优化前后效果，避免大多数假设，使结果更为可靠：成本低，避免反复制造样机测试，大大降低经济时间成本。

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。