迷宮式調節閥節流碟片的流道優化研究

唐騰飛， 肖 莉， 高 翔

(武漢工程大學機電工程學院，湖北武漢 430205)

引言

迷宮式調節閥是流體控制領域常用的節流裝置，廣泛應用于熱力、化工、水循環系統等工業領域。迷宮式調節閥常用于高壓差的工作環境，通過迷宮式節流碟片上的流道實現多級降壓，降低流體速度，從而保障了整個系統的正常運行。節流碟片是調節閥中的核心組件，同時也是調節閥降低振動、噪聲與空化等現象的主要組件，合理設計迷宮式節流碟片，可以顯著提升調節閥的性能[1-4]。

迷宮式節流碟片的研究主要熱點集中于迷宮式流道的降壓級數分布與不同幾何形狀流道的流動特性研究，并取得了良好的研究成果：李樹勛等[5]討論了節流碟片降壓級數在設計過程中的選擇；劉來全等[6]在節流碟片上添加了連接槽來改善流動特性；姚伍平等[7]討論了高溫調節閥迷宮式流道的不同參數對流量的影響。

目前，迷宮式調節閥與其降壓組件節流碟片研究設計主要以設計者經驗為主，主要手段為計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD)，基于仿真實驗可獲得調節閥的整體性能。受限于CFD仿真的操作步驟繁多，多以人工操作來進行相關仿真設置，自動化的仿真優化設計討論相對較少。另外，在迷宮式節流碟片降壓限流過程中，流道內壓降變化顯著，流體流速在拐角處突變且流速增加，引起碟片振動并可能產生空化，需要合理設計迷宮式節流碟片的幾何流道結構來降低上述影響。

本研究提出了一種適用于節流碟片流道的優化設計流程，以流道內流體的最高流速和流量為研究目標，將節流碟片流道的三維幾何參數作為輸入參數，結合CFD仿真與NSGA-II多目標優化算法，獲得可抑制最高流速的同時流量最大化的節流碟片流道優化結構，為相關降壓限流元件的優化設計提供研究基礎。

1 迷宮式調節閥節流碟片結構與原理

調節閥常在閥體內部放置閥套來抑制高壓差等惡劣工況產生的閥體振動、閥體沖刷等問題。以Fisher公司的流量閥為例，閥套放置形式如圖1a所示，位于閥芯與閥體內流道相交處。迷宮式流量調節閥的節流碟片組合疊加形成閥套，每級節流碟片上由若干迷宮流道組成，迷宮流道選擇平面流道形式，如圖1b所示，迷宮流道通常由多個彎道組成。本研究所討論的迷宮流道由2個直角彎道組成，為多級迷宮流道的典型基礎形式，對其研究可為多級迷宮流道的流動特性規律提供參考。

圖1 結構示意圖

在1片節流碟片上，多個迷宮流道結構相同，因此選取其中1個流道進行分析，如圖2a所示，流體從入口進入，經過迷宮流道從出口流出。為方便后續研究，將流道幾何參數進行參數化建模，三維流道由流道中心線和流道寬度組成，流道的長為L，寬度的1/2為D，具體參數如圖2b所示，共10個參數，取值間隔為0.001 mm，參數的取值范圍展示在表1中。流道的深度變化會引起節流碟片組成的閥套高度的變化，受限于調節閥內部空間限制，三維流道的深度一致選擇為3 mm。同時，流道的總長度選擇為30 mm，因此流道的幾何參數L5=30-L1-L3，mm。

圖2 流道模型

表1 三維流道幾何參數取值范圍 mm

2 節流碟片流道數值計算模型與仿真結果

2.1 計算模型

本研究的迷宮式調節閥節流碟片的三維幾何模型與網格，如圖3所示。流道模型的網格通過前處理軟件ANSYS ICEM-CFD劃分，采用非結構化網格，考慮到模型結構比較簡單，網格數量約10萬，滿足網格獨立性要求。需要指出的是，選擇非結構化網格而不是結構化網格的原因為，在后續節流碟片優化流程中，非結構化網格自動化生成可靠性更高，且代碼編寫更簡潔。一般來說，流道出口端需要進行延長，保證下游流道充分發展，但本研究關注的重點是流道本身，引入延長流道相當于增加了流道的幾何參數L5的距離，從而影響結果，同時L5的變化范圍為10～20 mm，約為幾何參數L1與L2的變化范圍2倍，可以認為出口部分流道已經適當延長，因此本研究中并未增設下游延長流道。

圖3 計算模型

數值模擬采用ANSYS Fluent軟件，8核并行運算加快仿真速度。流體介質選擇為純水(25 ℃)，入口壓力為1.0 MPa，出口壓力為0.1 MPa，近壁面邊界采用標準壁面函數計算Standard Wall Functions處理方法，模型常數Cμ,Cε1,Cε2分別取0.0845, 1.42, 1.68，流體與外界為絕熱，無熱交換，壁面邊界為無滑移速度邊界，湍流模型選擇為RNGk-ε湍流模型，同時選用Simple算法二階迎風格式。

2.2 仿真結果

節流碟片的CFD仿真結果如圖4所示，流道中最大速度42.15 m/s，流量1.335×10-4m3/s。在迷宮式流道設計中，滿足流量要求的情況下，希望流體的速度盡量越低越好，從而可以降低節流元件的振動，同時可以減少對元件的沖刷。

圖4 節流碟片三維流道仿真結果

3 節流碟片流道優化流程

3.1 自動化仿真流程

在構建了參數化節流碟片的幾何模型，并給出了幾何參數的取值范圍的基礎上，建立節流碟片的自動化仿真流程[8-9]。

節流碟片的三維幾何建模選擇CATIA軟件，可以通過VB腳本實現幾何模型的自動化建立；網格建模采用ANSYS ICEM-CFD軟件，通過TCL/TK腳本實現網格的劃分；CFD仿真采用ANSYS Fluent軟件實現，其自動化操作通過IronPython腳本完成；全局控制與數據后處理通過Python腳本實現。整個流程只需要預先設定好幾何參數的輸入尺寸集合，即可完成節流碟片的CFD仿真并獲得結果，如圖5所示。與傳統人工操作相比較，主要具有2個優點，首先是仿真速度快，幾何模型的建立和不同軟件的參數設置均在2～3 s 內完成，效率大大提高；其次，在大量重復操作中可以避免操作者因疲勞或疏忽引起的操作錯誤。

圖5 節流碟片自動化仿真流程

3.2 多目標優化流程

以節流碟片的三維流道流動特性中流道內最大流速和流道流量為2個優化目標，其中希望流道內最大流速最小化，流量最大化。這2個優化目標相互矛盾，且2個目標無法比較優劣，因此2個目標的最優解為Pareto最優解。Pareto最優解可以理解為優化過程中，流道內最大流速會逐步降低，同時流量逐步增加，兩者均向各自優化目標前進到一定程度后，2個目標無法再同時滿足時的目標值。非Pareto最優解具有如下特征，最大流速降低會引起流量減小，或流量增加會引起最大流速增加。

在流道內最大流速和流道流量為優化目標的條件下，節流碟片的三維流道的長度與寬度的參數取值范圍為約束條件，采用NSGA-II算法結合CFD自動化仿真流程尋求優化目標的最優解，即Pareto最優解[10-11]。建立的流量Q和最大流速v的數學優化模型可以表示成：

max(Q(L,D),-v(L,D))

(1)

(2)

優化過程中，將最大流速v取反，在優化算法中可以同時尋找流量Q和負值最大流速v的最大值，即可得到流量Q的最大值和最大流速v的最小值。節流碟片流道多目標優化流程如圖6所示，主要思想是通過CFD仿真來計算NGSA-II中種群個體的適應度，NSGA-II算法的具體理論可參考文獻[12]。

圖6 基于NSGA-II的節流碟片流道多目標優化流程

優化過程中，設定種群規模為20，交叉概率0.5，變異概率0.5，最大迭代次數設定為16，加上初始種群數量，一共進行了340次仿真。考慮到CFD仿真耗時較長，因此流程中引入比較數據庫，每次新的CFD仿真幾何參數與結果會被記錄，重復幾何參數的結構直接讀取CFD結果，減少重復仿真的資源消耗。需指出的是，考慮計算資源和實際工程需求，迭代次數需要綜合確定，因此算法不一定收斂至理論上最優，但已獲得滿足工程目標的最優結果。

4 結果分析

經節流碟片流道多目標優化流程獲得了一系列的Pareto最優解，受限于仿真迭代次數的限制，Pareto最優解數量為11，最優解結果如圖7所示。Pareto最優解為方塊型案例，與非最優解相比較，最大流速v相同時，Pareto最優解的流量Q更大；流量Q相同時，最大流速v的數值更低，說明提出的節流碟片流道多目標優化流程有效的獲得了節流碟片的優化結構。

圖7 節流碟片流道優化最優解集分布

以圖7中案例1、案例2為例，案例1的流量為1.004×10-4m3/s，最大流速為37.667 m/s；案例2的流量1.304×10-4m3/s，最大流速為40.494 m/s，兩案例的幾何模型與CFD仿真結果，如圖8所示。流量增加后，幾何模型差異較大，幾何參數變量較多情況下難以通過設計者經驗來搜尋最優的節流碟片幾何結構。最優解集提供了一系列的最優選擇，可以按照流量的需求選擇對應結構。此外，案例1與案例2中最大流速v與接近流速存在的區域較多，且多在直角拐角附近，控制流體流速需要合理設置直角彎道尺寸來實現逐級降速。比較案例1和案例2的結果，流量增加23%，最大流速增加7%，結合Pareto最優解集，此增長趨勢近在流量10×10-4～15×10-4m3/s區間內近似線性，可以為節流碟片的流道設計提供模型選擇。

圖8 不同案例的幾何模型與仿真結果

5 結論

針對迷宮式調節閥的節流碟片流道設計中，幾何參數多，難以選擇，目標流量與流道最大流速沖突的問題，本研究提出了一種基于NSGA-II算法的節流碟片流道多目標優化流程，可以獲得有效降低流體的最大流速并提高流量的節流碟片幾何結構集合，為設計者提供模型選擇。選擇Python語言作為全局控制腳本，實現了節流碟片的自動化CFD仿真流程。將節流碟片的自動化CFD仿真流程與NSGA-II算法聯合，獲得了的節流碟片最優結構解集。在流量10×10-4～15×10-4m3/s區間內，選擇的幾何結構流量增加23%，最大流速增加7%，流量增加與最大流速的增加呈近似線性關系。本研究提出的節流碟片流道優化設計流程的可為流體傳動元件的設計提供參考。