CN107665273A - 一种蝶阀内蝶板‑阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蝶阀内蝶板‑阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法，包括如下步骤：建立蝶阀内蝶板‑阀杆组件的三维模型，根据蝶阀的开度对流体的流体域进行网格划分；步骤2，根据流体流经蝶板‑阀杆组件的实际工况的边界条件和初始条件，进行流道内三维非定常数值模拟计算，得到流道内各流动参数的分布；步骤3，根据蝶板结构特征，沿流道径向将流体域划分成具有重要特征的多个截面，并在每个截面上靠近蝶板‑阀杆组件壁面的位置选取关键监测点；步骤4，提取每个截面上靠近蝶板‑阀杆组件处的各个监测点的流体压力参数瞬时值；步骤5，对压力参数瞬时值进行离散数据的傅立叶变换，得到截面上关键监测点的流体力作用频率。

Description

一种蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法

技术领域

本发明涉及三偏心蝶阀内部流动特征，计算蝶板-阀杆组件诱导流体产生的振动频率，具体涉及一种蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法。

背景技术

流体诱导结构振动是指处于流体中或传输流体的结构发生振动，振动的原因是流体力对结构的作用，或流体力与结构的相互作用。流体力的压力对结构产生作用，使结构发生振动，结构振动会改变流体域，流体域的改变导致流体流动状态发生变化，流场也会发生变化，导致作用在结构上的流体力发生变化，从而改变结构的诱导振动，如此往复，直至流体力与结构振动达到平衡状态。流体诱导结构发生振动，可能会引起结构变形，或对整个系统造成破坏。流体诱导结构振动，按照其机理可划分为：压力脉动引起激振、流体弹性不稳定、涡致振动。

流体在湍流状态下，流过结构表面时，会在结构表面形成随机压力场，由于湍流从物理结构上看，可以把其看成各种不同尺度的涡旋重叠而成的流动，这些漩涡的大小及旋转轴的分布方向是随机的。不同尺度涡旋的随机运动造成湍流的一个重要特点—物理量的脉动，对结构表面形成的压力脉动，导致结构产生振动，当压力脉动的频率与结构某阶频率相同时，结构会发生剧烈振动，此时振幅最大。

流体弹性不稳定现象是指横向流作用下，管排的自激振荡，是由弹性结构与流体相互作用的结果。当流体以一定的流速流过弹性管件时，如果管件阻尼消耗掉的能量小于流体给予管件的能量，管件会发生较大振幅的振动，即发生弹性不稳定现象。

涡致振动是指在结构尾部形成脱落涡，脱落涡在脱落时，会撞击结构，导致结构产生振动。在一定结构的尾部，脱落涡的形成与发展直接与雷诺数有关，涡脱落时，会使结构受到与流向垂直方向上的交变力，结构会在此方向上产生振动。

三偏心蝶阀的结构特点是其阀杆安装位置会在蝶板的一侧出现一个较大的凸台。这个凸台会导致流体在绕流蝶板时，在其两个工作面产生的压力不相等，以及涡的脱落和流动分离，蝶板的结构越复杂，产生的流体力对蝶板的作用力特性就越复杂。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法。

本发明提供了一种蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法，具有这样的特征，包括：如下步骤：

步骤1，建立蝶阀内蝶板-阀杆组件的三维模型，以及上下游管段模型，根据蝶阀的开度对流体的流体域进行网格划分；

步骤2，根据流体流经蝶板-阀杆组件的实际工况，给定上游管段进口在初始时刻速度和温度数值，和下游管段出口在初始时刻的压力、温度数值进行流道内三维非定常数值模拟计算，得到流道内各流动参数的分布；

步骤3，根据蝶板具有的隆起凸台，流体流经蝶板-阀杆组件时，局部会经历直角弯，局部有圆弧过渡弯角，沿流道径向经过流体域，以及流经蝶板的弯角类型、流程长短、流动分离的类型这些因素，将蝶板-阀杆组件划分成多个截面，并在每个截面上靠近蝶板-阀杆组件壁面的外表面和流体接触的区域选取关键监测点；

步骤4，提取每个截面上靠近蝶板-阀杆组件处的各个监测点的流体压力参数瞬时值；

步骤5，对压力参数瞬时值进行离散数据的傅立叶变换，得到截面上关键监测点的流体力作用频率。

在本发明提供的蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中流动参数包括流道内的流场压力、速度和温度。

在本发明提供的蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中的截面的个数为5 个。

在本发明提供的蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤3中的关键检测点的个数为10个。

在本发明提供的蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中的网格是流体域，用于模拟计算流体，每个网格的节点上都会有对应的压力、速度、温度这些参数的数值；步骤3中的截面的外表面都布满了网格。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法，因为所根据的流动特征和选取了关键监测点，所以可以更快、更有效、更准确地获得具有很强代表性的监测点的计算结果。因此，本发明可以用于评估流体如气体、液体或蒸汽这些介质绕流蝶板 -阀杆组件时，流体力对组件的作用力大小和频率，以辅助蝶板-阀杆组件的合理设计，确保不会产生共振；尤其是在流体高雷诺数流动工况时，通过本发明的诱导流体振动频率获取方法，可以对蝶板、阀杆的材料、厚度、质量、表面结构特征等方面进行合理设计与评估，以减小蝶板的振动、晃动等不良作用对结构和密封的破坏。

附图说明

图1是本发明的实施例的流程示意图；

图2是本发明的实施例的蝶板-阀杆组件的二维结构图；

图3是本发明的实施例的蝶板-阀杆组件的三维结构图；

图4是本发明的实施例的计算域及蝶板-阀杆组件在计算域中的位置示意图；

图5是本发明的实施例的左视图三偏心蝶板处网格；

图6是本发明的实施例的左视图三偏心蝶板处网格；

图7是本发明的实施例的三偏心蝶阀分截面示意图；

图8是本发明的实施例的分截面位置示意图；

图9是本发明的实施例的截面0处的压力监测点示意图；

图10是本发明的实施例的截面1处的压力监测点示意图；

图11是本发明的实施例的截面2处的压力监测点示意图；

图12是本发明的实施例的截面3处的压力监测点示意图；

图13是本发明的实施例的截面4处的压力监测点示意图；

图14是本发明的实施例的截面0各点压力脉动时域图；

图15是本发明的实施例的截面2各点压力脉动时域图；

图16是本发明的实施例的截面4各点压力脉动时域图；

图17是本发明的实施例的截面0各点压力脉动频域图；

图18是本发明的实施例的截面2各点压力脉动频域图；

图19是本发明的实施例的截面4各点压力脉动频域图；

图20是本发明的实施例的截面0处4点不同工况下压力脉动时域图；

图21是本发明的实施例的截面0处5点不同工况下压力脉动时域图；

图22是本发明的实施例的截面0处8点不同工况下压力脉动时域图；

图23是本发明的实施例的截面0处4点不同工况下压力脉动频域图；

图24是本发明的实施例的截面0处5点不同工况下压力脉动频域图；

图25是本发明的实施例的截面0处8点不同工况下压力脉动频域图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

实施例一：

图1是本发明的实施例的流程示意图，图2是本发明的实施例的蝶板-阀杆组件的二维结构图，图3是本发明的实施例的蝶板-阀杆组件的三维结构图，图4是本发明的实施例的计算域及蝶板-阀杆组件在计算域中的位置示意图，图5是本发明的实施例的左视图三偏心蝶板处网格，图6是本发明的实施例的左视图三偏心蝶板处网格。

表1：工况参数表

步骤1，建立蝶阀蝶板-阀杆组件三维模型，见图2和图3。确定计算域及蝶板-阀杆组件在计算域中的位置见图4。计算域中蝶板-阀杆附近局部网格划分网格疏密程度及细节见图5和图6所示。

步骤2，利用表1所示的根据流体流经蝶板-阀杆组件的实际工况，给定上游管段进口在初始时刻速度和温度数值，和下游管段出口在初始时刻的压力、温度数值，进行流道内三维非定常数值模拟计算，得到流道内流场压力、速度和温度等参数的分布。

图7是本发明的实施例的三偏心蝶阀分截面示意图，图8是本发明的实施例的分截面位置示意图，图9是本发明的实施例的截面0处的压力监测点示意图，图10是本发明的实施例的截面1处的压力监测点示意图，图11是本发明的实施例的截面2处的压力监测点示意图，图12是本发明的实施例的截面3处的压力监测点示意图，图13 是本发明的实施例的截面4处的压力监测点示意图。

步骤3，根据蝶板具有的隆起凸台，流体流经蝶板-阀杆组件时，局部会经历直角弯，局部有圆弧过渡弯角，沿流道径向经过流体域，以及流经蝶板的弯角类型、流程长短、流动分离的类型这些因素，将蝶板-阀杆组件划分成多个截面，见图7和图8所示。图9，图10，图11，图12，图13分别对应图7和图8中的0截面，1截面，2截面，3截面和4截面。在每个截面上靠近蝶板-阀杆组件壁面的外表面和流体接触的区域选取关键监测点，见图9，图10，图11，图12，图13中分别布置了监测点1、监测点2、监测点3、监测点4、监测点5、监测点6、监测点7、监测点8、监测点9、监测点10，共计 10个监测点。

图14是本发明的实施例的截面0各点压力脉动时域图，图15是本发明的实施例的截面2各点压力脉动时域图，图16是本发明的实施例的截面4各点压力脉动时域图。

步骤4，提取各截面上近蝶板-阀杆组件处各监测点流体压力参数的瞬时值。以截面0，截面2，截面4为例，提取每个截面上的监测点2，监测点4，监测点6，监测点8，监测点10的压力参数瞬时值。

针对表1中工况4，即最大流量工况下，图14为截面0各点压力脉动时域图，图15为截面2各点压力脉动时域图，中图16为截面4各点压力脉动时域图。

图17是本发明的实施例的截面0各点压力脉动频域图，图18是本发明的实施例的截面2各点压力脉动频域图，图19是本发明的实施例的截面4各点压力脉动频域图。

表2：工况4下各点最大静压值和主频计算结果

步骤5，对图14，图15和图16的压力参数瞬时值进行离散数据的傅立叶变换，得到各截面上关键监测点的流体力作用频域图，如图 17，图18和图19所示。

从图17，图18和图19中，可以得到流体力的压力脉动主频，如表2所示，从1可以看出在截面0处4点压力脉动主频为54.7Hz， 6点的压力脉动主频为103.5Hz，其他截面各点压力脉动主频为 117.2Hz。

实施例二：

步骤1，建立蝶阀蝶板-阀杆组件三维模型，见图2和图3。确定计算域及蝶板-阀杆组件在计算域中的位置见图4。计算域中蝶板-阀杆附近局部网格划分网格疏密程度及细节见图5和图6所示。

步骤2，利用表1所示的根据流体流经蝶板-阀杆组件的实际工况，给定上游管段进口在初始时刻速度和温度数值，和下游管段出口在初始时刻的压力、温度数值，进行流道内三维非定常数值模拟计算，得到流道内流场压力、速度和温度等参数的分布。

步骤3，根据蝶板具有的隆起凸台，流体流经蝶板-阀杆组件时，局部会经历直角弯，局部有圆弧过渡弯角，沿流道径向经过流体域，以及流经蝶板的弯角类型、流程长短、流动分离的类型这些因素，将蝶板-阀杆组件划分成多个截面，见图7和图8所示。图9，图10，图11，图12，图13分别对应图7和图8中的0截面，1截面，2截面，3截面和4截面。在在每个截面上靠近蝶板-阀杆组件壁面的外表面和流体接触的区域选取关键监测点，见图9，图10，图11，图12，图13中分别布置了监测点1、监测点2、监测点3、监测点4、监测点5、监测点6、监测点7、监测点8、监测点9、监测点10，共计 10个监测点。

图20是本发明的实施例的截面0处4点不同工况下压力脉动时域图，图21是本发明的实施例的截面0处5点不同工况下压力脉动时域图，图22是本发明的实施例的截面0处8点不同工况下压力脉动时域图。

步骤4，提取各截面上近蝶板-阀杆组件处各监测点流体压力参数的瞬时值。

针对表1中不同工况，即流量从小到大，选取截面0，提取监测点4，监测点5，监测点8的压力参数瞬时值，图20为工况1，工况 2，工况3和工况4所对应的截面0上监测点4处压力脉动时域图；中图21为工况1，工况2，工况3和工况5所对应的截面0上监测点 5处压力脉动时域图；图22为工况1，工况2，工况3和工况4所对应的截面0上监测点8处压力脉动时域图。

图23是本发明的实施例的截面0处4点不同工况下压力脉动频域图，图24是本发明的实施例的截面0处5点不同工况下压力脉动频域图，图25是本发明的实施例的截面0处8点不同工况下压力脉动频域图。

步骤5，对图20，图21和图22的压力参数瞬时值进行离散数据的傅立叶变换，得到各截面上关键监测点的流体力作用频域图，如图 23，图24和图25所示。

实施例的作用与效果

表3：截面0处不同工况下各点压力脉动和主频计算结果

根据实施例一和实施例二可知，从图17，图18和图19中，可以得到流体力的压力脉动主频，如表3所示。从表3可以看出，在工况1下，监测点4，监测点5和监测点8的主频均为31.2Hz，随着流量增加，在工况2下，监测点4，监测点5和监测点8的主频分别为 27.3Hz，58.6Hz和58.6Hz；在工况3下，监测点4，监测点5和监测点8的主频分别为42.9Hz，85.9Hz和85.9Hz；而到了最大流量工况下，监测点4，监测点5和监测点8的主频分别为54.7Hz，117.2Hz 和117.2Hz。

实施例一和实施例二所涉及的蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法，因为所根据的流动特征和选取了关键监测点，所以可以更快、更有效、更准确地获得具有很强代表性的监测点的计算结果。因此，本发明可以用于评估流体如气体、液体或蒸汽这些介质绕流蝶板-阀杆组件时，流体力对组件的作用力大小和频率，以辅助蝶板-阀杆组件的合理设计，确保不会产生共振；尤其是在流体高雷诺数流动工况时，通过本发明的诱导流体振动频率获取方法，可以对蝶板、阀杆的材料、厚度、质量、表面结构特征等方面进行合理设计与评估，以减小蝶板的振动、晃动等不良作用对结构和密封的破坏确。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，建立蝶阀内蝶板-阀杆组件的三维模型，以及上下游管段模型，根据蝶阀的开度对流体的流体域进行网格划分；

步骤2，根据所述流体流经蝶板-阀杆组件的实际工况，给定所述上游管段进口在初始时刻速度和温度数值，和所述下游管段出口在初始时刻的压力、温度数值，进行流道内三维非定常数值模拟计算，得到流道内各流动参数的分布；

步骤3，根据蝶板具有的隆起凸台，所述流体流经所述蝶板-阀杆组件时，局部会经历直角弯，局部有圆弧过渡弯角，沿流道径向经过所述流体域，以及流经所述蝶板的弯角类型、流程长短、流动分离的类型这些因素，将蝶板-阀杆组件划分成多个截面，并在每个所述截面上靠近所述蝶板-阀杆组件壁面的外表面和所述流体接触的区域选取关键监测点；

步骤4，提取每个所述截面上靠近所述蝶板-阀杆组件处的各个所述监测点的流体压力参数瞬时值；

步骤5，对所述压力参数瞬时值进行离散数据的傅立叶变换，得到所述截面上所述关键监测点的流体力作用频率。

2.根据权利要求1所述的蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法，其特征在于：

其中，所述步骤2中所述流动参数包括所述流道内的流场压力、速度和温度。

3.根据权利要求1所述的蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法，其特征在于：

其中，所述步骤3中的所述截面的个数为5个。

4.根据权利要求1所述的蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法，其特征在于：

其中，所述步骤3中的所述关键监测点的个数为10个。

5.根据权利要求1所述的蝶阀内蝶板-阀杆组件诱导流体振动的频率获取方法，其特征在于：

其中，所述步骤1中的所述网格是流体域，用于模拟计算所述流体，每个所述网格的节点上都会有对应的压力、速度、温度这些参数的数值；

所述步骤3中的截面的外表面都布满了网格。