[发明专利]一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法

说明书

本发明公开了一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法，具体是通过设计节流窗口面积和形状来改变套筒阀的流通能力和流量特性，可以在保证流量调节精度的情况下，构建具有流量特性曲面功能的组合式阀芯原理模型，从而获得以套筒阀为代表的阀门流量特性曲面图谱，根据特性曲面图谱，根据设计阀门的目标流量特性曲线，在流量特性曲面上选取特定点集，绘制拟合流量特性曲线，提取设计信息进而快速设计出节流窗口形状及型线。该方法基于数字化设计，避免了反复的理论公式与实验校核过程，并且改善了不规则形状节流窗口套筒阀数值模拟精度低问题，节约了时间，并且节省了人力物力的消耗。

技术领域

本发明涉及套筒阀的数字化设计，尤其是涉及一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法。

背景技术

阀门作为工业管道系统中的关键部件，对流量、压力、温度等参数起调节和控制作用，广泛应用于航天、军事、核能、电力等领域，被称为工业系统的“咽喉”。阀芯作为阀门的关键运动单元，对介质的流量、压力等参数起到了调节和控制作用，直接决定着阀门的调节精度和可调比等关键性能指标。随着大流量、高压差等极端工况在流程工业和液压系统中的不断涌现，目前我国阀门往往面临着调节精度低、可调比小等技术难题，这使得我国很多重大工程中的关键阀门都严重依赖进口，一旦出现该领域的“卡脖子”事件，我国很多重大工程项目将面临瘫痪的危险，对国家安全、社会稳定和经济发展构成重大威胁。

套筒阀稳定性好，可通过改变阀芯结构形式和节流窗口形状的影响阀内的流动状态，是应用较为广泛的一类调节阀。针对特定流量特性曲线设计要求，传统套筒阀阀芯设计过程复杂，且设计出的套筒阀调节精度较准确度低，因此，亟需一种高精度快速的套筒阀芯设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法，基于数字化设计，根据流量需求在流量特性曲面中快速选取一条特性曲线，得到节流窗口的形状，方便精准快速设计套筒阀。该方法基于数字化设计，避免了反复的理论公式与实验校核过程，节约了设计时间，且节省了人力物力消耗。

本发明采用的技术方案是：

本发明提供了一种基于流量特性曲面的套筒阀数字化设计方法，步骤如下：

S1：根据原始套筒阀设计文件，通过三维建模软件，构建阀门实体模型；

S2：根据所述阀门实体模型，抽取出阀门内部流道模型；随后通过网格划分软件，将所述阀门内部流道模型离散为内部流道网格模型；

S3：利用计算流体力学软件，根据原始套筒阀设计文件，在所述内部流道网格模型中，对流体入口面设置压力入口边界条件、对流体出口面设置压力出口边界条件、对阀门内壁面设置无滑移壁面边界条件，并对所述内部流道网格模型占据的全部空间赋予流体属性，得到内部流体网格模型；

S4：利用所述内部流体网格模型，通过计算流体力学软件，得到不同节流窗口下的阀内流动情况，以流量作为依据，得到阀内流量数值，从而计算出对应的流量系数；

S5：根据步骤S4计算得到的不同节流窗口下对应的流量系数，通过数值模拟得到不同节流窗口面积与长宽比下的流量特性曲线，再将所有所述流量特性曲线拟合成套筒阀的流量特性曲面；所述流量特性曲面的x轴为阀芯开度，y轴为外层套筒旋转的角度，z轴为流量系数的大小；

S6：根据目标流量特性曲线，在所述流量特性曲面上选取一条拟合流量特性曲线，提取该拟合流量特性曲线上若干点对应的流量系数、阀芯开度和外层套筒旋转角度，根据等面积原则，计算目标套筒节流窗口的形状和面积；

S7：根据所述目标套筒节流窗口的形状、面积和原始套筒阀设计文件，设计得到满足所述目标流量特性曲线的套筒阀。

作为优选，所述步骤S1中，原始套筒阀设计文件包括套筒阀的组成信息和使用工况信息，组成信息包括套筒阀的结构、尺寸和材料属性，使用工况信息包括通入流体的物理性质、阀门出入口和入口处的边界条件。