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、 硕士学位论文 （专业型）（专业型） 轴流式止回阀流道形状的减阻优化方法研究 作 者 姓 名 何 东 亭 学 位 类 别 工 程 硕 士 工 程 领 域 机 械 工 程 学号 212018085201010 校 内 导 师 尹 洋 教 授 校 外 导 师 常 选 仓 高 级 工 程 师 完 成 日 期 2021 年 3 月 密级 轴流式止回阀流道形状的减阻优化方法研究 西华大学硕士学位论文 分类号密级 UDC 密级 Xihua University Master Degree Thesis Drag reduction optimization for axial flow check valve channel shape Candidate DongTing He Major Mechanical Engineering Student ID 212018085201010 Supervisor Prof. Yang Yin March,2021 Classified Index UDC 密级 西华大学硕士学位论文 I 摘要 在国家西气东输工程的大背景下， 国内许多阀门研发生产厂家纷纷致力于阀门的国 产化研发，但仅仅只满足于能自主设计制造出各种阀门远远不够。随着现代生产技术的 发展，节能、高效等重要经济指标也要体现在国产阀门产品上，阀门的流阻系数就是影 响阀门效率和性能的重要因素之一。 本文针对轴流式止回阀流道形状进行了减阻优化研 究，得到了一种较有效的思路与方法，且该方法可以为其他阀门的减阻优化起到一定的 参考作用。 轴流式止回阀作为一种具有特殊作用的阀门， 国内外均对其进行了一些降低流阻系 数的研究，但一些优化方法存在优化方法复杂，计算量大，试验多和优化结果单一等缺 点。针对这一问题，本文充分利用计算机虚拟仿真技术成本低，计算精度高，快捷的优 点，并结合试验验证提出了一种简捷，经济，优化结果多样的优化方法。我们以某阀门 制造公司的 NPS10 Class1500 轴流式止回阀为研究对象， 针对其流道形状进行减阻优化， 以此来对整个优化方法进行说明，具体优化过程及验证如下 （1）首先为优化方法建立正确的 ANSYS Fluent 流阻系数数值模拟方法基础。我们委 托经过国家级审查认可的第三方综合性的检测、 认证和评审检查机构合肥通用机电 产品检测院有限公司国家泵阀产品质量监督检验中心， 按照国家阀门流阻系数试验标准 对 NPS10 Class1500 轴流式止回阀进行流阻系数试验。同时按照试验系统 11 建模进 行流阻系数数值模拟，并用试验结果对数值模拟进行修正。 （2）然后在前面打下的基础上，我们将试验模型参数化并采用响应面优化法，结合 ANSYS Fluent 流阻系数数值模拟对 NPS10 Class1500 轴流式止回阀的流阻形状进行了 优化分析，得到了多组满足优化目标的优化结果。 （3）最后我们选择了流阻系数最低的五组优化结果，对其按照实际阀门生产加工 情况进行了数据取整后，重新建模并数值模拟出流阻系数，数值模拟结果表明本文提出 的优化方法得出的优化结果具有实用性。 同时我们也对五组优化结果的其他属性进行了 拓展，在优化方法的实际运用中设计者可以根据具体的设计要求选择合适的优化结果。 关键词轴流式止回阀；流阻系数；减阻优化；响应面优化法；数值模拟；流阻系 数试验 轴流式止回阀流道形状的减阻优化方法研究 II Abstract In the context of the national west-east pipeline project, many domestic valve researchers and product manufacturers are committed to the domestication of valves, however, the domestication is still far from enough if it simply stays at the designing and manufacturing level. With the development of modern production technology; energy saving, high efficiency and other important economic indicators should also be considered in domestic valve products. For valves, the flow resistance coefficient is an important factor affecting their efficiency and perance. In this paper, the drag reduction optimization of axial flow check valve is researched, and a more effective idea and is obtained, which can be used as a reference for other valve drag reduction optimization. The axial flow check valve is a kind of valve with special functions. It has been researched to reduce the flow resistance coefficient at home and abroad. However, some optimization s have disadvantages such as s complex, large amount of calculation, requirement of many experiments, or single optimization results. In order to solve these problems, this paper takes full advantage of computer virtual simulation technology, such as low cost, high calculation precision and fast speed. Combined with the flow resistance coefficient test, this study puts forward a simple, economical and diversified optimization . We take the NPS10 Class1500 axial flow check valve of Chengdu Chenggao Valve Co., Ltd as the research object, and reduce the flow resistance coefficient based on its original flow channel shape. To explain the whole optimization , the specific optimization process and verification are listed as follows 1 Firstly, a verified numerical simulation of ANSYS Fluent for the flow resistance coefficient is established for the optimization . We entrust National pump valve products quality supervision and inspection center of Hefei general mechanical and electrical product testing institute co., LTD., that is approved by the national review of the third party inspection, certification, and comprehensive reviews check institutions, to conduct the NPS10 Class1500 axial-flow check valve flow resistance coefficient experiment according to the flow resistance coefficient of valve test standards of the state. At the same time, a 11 model test system for numerical simulation of the flow resistance coefficient is established whose results are corrected by the test results. 2 Then, on the basis of the above, we parameterized the test model and used the response surface optimization to optimize the flow resistance shape of the NPS10 Class1500 axial flow check valve. Combined with the numerical simulation of the flow 西华大学硕士学位论文 III resistance coefficient of ANSYS Fluent, we obtained several sets of optimization results that satisfy the optimization objective. 3 Finally, we select five groups of optimization results that have the lowest flow resistance coefficient. After data integration considering the actual production and processing situations of the valve, the flow resistance coefficient was re-modeled and numerically simulated. The numerical simulation results show that the optimization results obtained by the optimization proposed in this paper are precise enough. At the same time, we also extend the other attributes of the five groups of optimization results. In the actual application of optimization s, designers can choose an appropriate optimization recommendation with respect to the specific design requirements. Key WordsAxial flow check valve; Flow resistance coefficient; Drag reduction optimization; Response surface ology; The numerical simulation；Flow resistance coefficient test 轴流式止回阀流道形状的减阻优化方法研究 IV 目录 摘要.............................................................................................................................I Abstract.............................................................................................................................. II 1绪论...............................................................................................................................1 1.1课题来源及研究背景和意义............................................................................1 1.1.1课题来源.................................................................................................1 1.1.2研究背景和意义.....................................................................................1 1.2轴流式止回阀的研究现状及不足....................................................................2 1.2.1轴流式止回阀的国内外研究.................................................................2 1.2.2轴流式止回阀的研究现状总结.............................................................4 1.3研究的主要内容和方法....................................................................................4 1.4论文的主要创新点............................................................................................5 2基础理论及研究路线...................................................................................................6 2.1计算流体力学（CFD）....................................................................................6 2.1.1 ANSYS Fluent 简介..................................................................................7 2.1.2湍流模型.................................................................................................8 2.2响应面优化法....................................................................................................9 2.3优化方法的设计及验证..................................................................................10 2.3本章小结..........................................................................................................11 3轴流式止回阀流阻系数试验与数值模拟.................................................................12 3.1轴流式止回阀流阻系数试验..........................................................................12 3.1.1试验方法...............................................................................................12 3.1.2流阻系数的计算...................................................................................13 3.1.2试验结果...............................................................................................14 3.2轴流式止回阀流阻系数的数值模拟..............................................................14 3.2.1模型简化...............................................................................................15 3.2.2网格划分与 Fluent 仿真设置..............................................................16 3.2.3数值模拟结果.......................................................................................18 3.3试验结果与数值模拟结果相关性分析..........................................................24 3.3.1Kendall’s tau-b 相关性分析.................................................................25 3.4本章小结..........................................................................................................26 西华大学硕士学位论文 V 4轴流式止回阀流道形状的减阻优化.........................................................................27 4.1响应面优化在 ANSYS 中的应用.................................................................. 27 4.1.1ANSYS 中的响应面优化.................................................................... 27 4.1.2实验设计（DOE）方法的选择..........................................................27 4.1.3响应面类型的选择...............................................................................28 4.1.4优化属性和参数设置...........................................................................28 4.2轴流式止回阀流道形状模型参数化..............................................................28 4.3设计变量及其灵敏度分析..............................................................................29 4.3.1设计变量...............................................................................................29 4.3.2灵敏度分析...........................................................................................30 4.4目标函数..........................................................................................................31 4.5优化模型的建立..............................................................................................31 4.6优化结果..........................................................................................................32 4.7本章小结..........................................................................................................33 5优化后的轴流式止回阀流阻系数数值模拟.............................................................34 5.1优化结果数据取整..........................................................................................34 5.2优化结果数据取整后的流阻系数数值模拟..................................................34 5.2.1数据取整后的轴流式止回阀流道形状模型.......................................34 5.2.1数值模拟结果.......................................................................................36 5.3对比分析..........................................................................................................43 5.3.1优化结果数据取整前后的流阻系数对比分析...................................43 5.3.2优化结果数据取整后的流阻系数与试验结果对比分析...................44 5.4最优结果的选择..............................................................................................45 5.5本章小结..........................................................................................................46 总结与展望.......................................................................................................................47 1总结..................................................................................................................47 2展望..................................................................................................................48 参 考 文 献.....................................................................................................................49 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果.......................................................................52 致谢...........................................................................................................................53 西华大学硕士学位论文 1 1绪论 1.1课题来源及研究背景和意义 1.1.1课题来源 中国是能源消耗大国, 天然气作为一种常用能源需求量不容小觑， 国家更是开展西 气东输工程以满足我国东部地区对天然气日益增长的需求。在这个大背景下，国内的阀 门研发生产机构和厂商纷纷开展阀门的国产化研发工作。 本课题就来源于某阀门制造公 司申报的四川省科技厅重大专项LNG 超低温阀门关键奥氏体不锈钢零部件低温组织稳 定性与结构尺寸控制技术（No. 2019YFG0226）；以及四川省科技厅重大支撑研究专项 特大型全焊接球阀关键制造技术（No. 2018GZ0129）。以解决一些在阀门设计、生产和 使用过程中出现的流阻系数过大的问题。 1.1.2研究背景和意义 在流体长输管线工程中，控制流体的压力，流量和流向等的阀门是不可或缺的机械 产品，这也就要求其质量可靠、性能优异。随着现代生产技术的发展，节能、高效等重 要经济指标更是对阀门的性能提出了更高的要求。评价阀门的性能主要考虑以下几点 1. 阀门在工作状态下启闭灵活、轻便，用扭矩扳手检测开启力[1]。 2. 阀门密封性强，在 1.1 倍工作压强下不存在渗漏或渗漏量符合标准要求。 3. 阀门过流能力要强，由于阀门流道截面的变化和摩擦的影响，介质在流动过程 中会受到一定的阻力，这就会造成压力和能量损失[2]。因此设计和制造阀门时，要尽可 能的降低阀门对流体介质的阻力来减少能量消耗。 4. 阀门在开启状态下，满足承压能力与管道一致的要求。 5. 阀门的使用寿命代表阀门的耐用程度，具有很大的经济意义，通常以能保证密 封要求的启闭次数或者使用时长来衡量。 其中，阀门的过流能力对于阀门的节能和效率而言至关重要，也直接影响阀门的使 用寿命。流阻系数是衡量阀门过流能力的关键技术参数，我国也对各种不同类型的阀门 按不同公称尺寸制定了相应的流阻系数标准， 因此在设计和生产阀门时要尽可能的降低 阀门的流阻系数。但我们在参与某阀门公司的研发项目时发现，由于在高端技术上国内 与国外的厂商相比仍存在较大差距， 目前国内的阀门基本上不能达到国家制定的流阻系 数标准。因此我们与该公司合作就该公司生产的 NPS10 Class1500 轴流式止回阀为研究 对象，对其进行降低流阻系数的优化方法研究。 轴流式止回阀（图 1.1），主要由阀体、阀瓣和阀芯组成，是一种靠流体介质在阀 门两端的压力差而自动开启和关闭的阀门。它具有运行平稳、流阻小，水击压力小、低 轴流式止回阀流道形状的减阻优化方法研究 2 噪声，密封性强和介质压力变化响应速度快等优点，因此广泛应用于油气运输中[3]。轴 流式止回阀一般安装在压缩机和泵等器件后面， 以防止流体介质倒流导致压缩机和泵等 器件损坏。这就意味着轴流式止回阀的密封性、启闭动态特性、流阻系数等各项性能要 求严格。 图 1.1 轴流式止回阀 Fig.1.1The axial flow check valve 轴流式止回阀的过流能力对其性能、效率有着重大的影响，同时也影响着与其连接 的压缩机、泵等器件的工作效率和能耗。因此在设计生产轴流式止回阀时，应尽可能保 证其具有较低的流阻系数。 而轴流式止回阀的流道形状是影响其流阻系数大小的重要因 素之一，并且流道形状设计不佳会导致阀门内流体介质湍流强度大，阀门内发生空化现 象，进而发生气泡溃灭产生震动和冲击，对阀体和阀芯造成破坏，降低阀门的使用寿命 [4]。本课题以某阀门制造公司生产的 NPS10 Class1500 轴流式止回阀为研究对象，针对 其流道形状进行降低流阻系数的优化，以寻找一种简捷、经济、高效、优化结果多样化 且对其他种类阀门的减阻优化设计具有参考价值的优化方法， 从而运用到实际的阀门设 计生产中，以降低阀门企业的设计周期和开发成本。 1.2轴流式止回阀的研究现状及不足 1.2.1轴流式止回阀的国内外研究 上世纪轴流式止回阀问世到现在， 国外对其的设计研发及生产技术一直保持着研究， 比如 ENTECH GROVP美国公司、 MANNESMANA 公司、 CAMERON 公司、 MOKVELD 西华大学硕士学位论文 3 公司等[5]，在轴流式止回阀的介质流量特性、能量损失以及压力分布等方面的研究尤为 重视。 早在二十世纪末，Bao M 等通过 CFD 软件对滑阀内部介质的流动状态进行了分析， 得出阀门的流量、能耗和进出口尺寸大小的关系[6]。Roger Yang 利用 CFD 软件对液压 阀的二维、三维模型进行综合分析，得出阀门内部压力和速度分布以及阀瓣所受的作用 力大小[7]。M Borghi 等利用 ANSYS FLUENT 软件对不同开度下的安全阀进行了稳态流 场仿真分析，研究了不同开度下其内部流体介质的速度和压力分布情况，以及阀瓣在不 同时刻所受稳态液动力的大小[8]。Linda Tweedy Till 等利用 CFD 软件通过改变进出口 边界条件对液压阀进行了模拟仿真，得出不同截面的压力、速度分布图，并根据仿真结 果对阀门结构进一步设计而实现优化[9]。这些研究为轴流式止回阀的结构及流道形状的 研究打下了流场仿真基础。轴流式止回阀有阀体和阀芯构成，阀芯通常是由阀瓣、弹簧 和导流罩三个部分构成[10]， 阀芯和阀体部分的外形曲线对阀门的流阻系数有直接的影响。 国外的阀门设计者为了降低阀门的流阻系数，通常将阀芯的外形线型设计为流线型，使 其整体形状像水滴一样。在回转体的线型设计方面，1950 年，Gertler 等人利用计算实 验和图解分析的方法设计出了低阻力的回转体外形，但是这种方法不仅成本高，还不一 定能够得到能反映全局的最优结果[11]。70 年代初期，法国人用特定的阻力计算方法给 回转体外形曲线设置一定的尺寸变化范围，并将阻力作为目标函数；然后对其进行降低 阻力的优化分析，得出的优化结果比较接近全局最优解[5]。美国学者 Granville 通过研究 回转体的头部和尾部外形曲线设计方法，得出了几种回转体线型的数学表达式，同时给 出了设计参数范围和丰满系数[12]。 Sibilla S 等利用动网格技术结合 UDF 编程对轴流式止 回阀开启和关闭过程中流场压力和速度分布进行了分析， 得出弹簧的刚度和阀瓣的尺寸 等属性对其动态特性的影响[13]。 国内对轴流式止回阀的研究相对于国外还有一定的差距。 但随着国内阀门市场的发 展， 国产轴流式止回阀的需求逐渐增大， 国内的一些阀门厂商和研究机构纷纷投入资金， 时间和人力开展轴流式止回阀国产化项目。因此在轴流式止回阀的研发设计和优化上， 国内研发人员也取得了一些研究成果。 李德禹提出降低阀门的流阻系数是降低阀门能耗 的重要途径， 并论述了可以通过降低阀门内部压差和改变壁面粗糙度等方法来降低阀门 的流阻系数[14]。宋保维等人利用 CFD 软件结合复合形法，对回转体外形进行了降低阻 力的优化设计，提出可以适当延长层流边界层来得到低阻力的回转体外形，还指出一定 的雷诺数对应有唯一的最小阻力回转体外形[15]。此外，潘光与胡海豹等人数值模拟计算 了多个速度下， 表面具有不同间隔脊状结构的回转体的流阻， 以寻求减小阻力的方法[16]。 吴佳宝等人通过等强度线源与直线均匀流叠加法和精确数学表达式法相结合的方式设 计了前圆后尖的阀芯线型来降低流阻系数[5]。吴施熠徽等人引入场协同原理对轴流式止 轴流式止回阀流道形状的减阻优化方法研究 4 回阀进行流场分析，通过研究流动场协同程度和有效黏度系数对流阻的影响，提出了增 大流动场协同角和降低机械能耗散量，两种途径的减阻优化设计思路[17]。李梦科等人综 合文丘里效应、椭圆簇法和阀体流道型线计算式，对全开状态下轴流式止回阀内部流道 结构进行了优化设计，确定了设计过程中对结构影响较大的三个变量参数，把主要结构 参数作为设计变量并确定其范围，对其中两个因素进行正交试验，并进行建模和流场仿 真，最后将所有结果进行 Biharmonic 样条插值，得到压降最小值对应的最优结构参数 [18]。向北平等人分析了新型梭式结构止回阀内部的湍流问题，通过研究基于 Reynolds 平均法的湍流时均控制方程，结和 CFD 软件对梭式止回阀内部流场进行了数值模拟； 提出了在阀芯与阀门的连接部分设置泄流孔、 减少阀门内部流道直径尺寸突变和在阀芯 增加外弧面的结构优化方案[19]。柯松林通过优化轴流式止回阀的流道截面积的过度、弹 簧载荷特性和阀瓣重量，降低了阀门内流体的压力损失，增强了阀门的流通能力[20]。 1.2.2轴流式止回阀的研究现状总结 对于轴流式止回阀的流道形状设计，目前一般是利用等强度线源与均匀流叠加法、 等强度点源、汇与均匀流叠加、卡克斯法、格兰韦尔法、回转体外形曲线的参函数逼近 法等流