基于数字孪生的燃气调压器建模与分析

2022-09-28王金栋王亚慧年介成

计算机仿真 2022年8期

王金栋，王亚慧，年介成

(北京建筑大学电气与信息工程学院，北京100044)

1 引言

燃气调压器作为燃气输配管道的重要设备，对控制进出口压力起着重要作用。为了实现智能制造，提出了先进的制造策略[1]。物联网、大数据、云计算和人工智能等先进的信息和计算技术的发展，为智能生产的实现奠定了坚实的基础。然而，智能生产的实际操作过程往往面临着一个瓶颈：信息空间和物理空间之间的相互融合，由此产生了数字孪生技术。

目前在各大制造行业如能源、建筑、航空行业等对数字孪生技术的研究及运用，推动行业迅速发展。数字孪生技术的特点是动态交互、实时映射[2]。将虚拟模型、物理实体、服务系统连接为一个有机的整体，使物理信息与产品数据得以在各部分间交换传递。燃气行业紧跟信息产业步伐，通过数字孪生技术桥梁，实现传统能源行业与信息技术产业结合，推动燃气行业信息化、多元化、可视化。有效发挥数字孪生技术优势，产生效益最大化。

为此，文本提出了基于数字孪生的燃气调压器建模与分析。

2 智能制造技术与数字孪生技术

2.1 智能制造

智能制造技术是生产自动化、数字技术、产品智能和新一代的信息技术融合而成的[3]。智能制造体系架构集成了产品全生命周期过程，对于指导产品设计、生产、维护等方面起着至关重要作用。目前，主要有三种数字化方法：数字孪生装配建模仿真技术、虚拟现实装配建模仿真技术以及增强现实装配建模仿真技术。

2.2 数字孪生

大数据、云计算、物联网等互联网技术的崛起，使得制造业与信息行业的结合迅速，从而促进智能制造产业的发展。制造业的物理结构与信息网络的互动与融合，日益引起人们的关注。数字孪生将实体物理模型、运维数据集成于一个信息体内，使得信息体内获取多维度、多信息的仿真数据[4]。将实物在信息虚拟空间中得以复现。通过信息的交互，对产品研发设计、生产服务等方面监控与分析，降低生产成本，提高产品竞争力。

3 燃气调压器三维建模

燃气调压器的调压特性反映了实际出口压力与管道燃气流量与进口压力之间的变化关系。因考虑到生产成本，调压特性需在产品生产后进行测试获取[5]。为了减少产品的生产浪费，更精确地模拟调压器流场，并提前对内部流场结构的优化，采用数字孪生技术建立全仿真模型，此模型必须与实际产品具有一定程度符合度，才能得到可靠的数值模拟结果。

调压器的静特性是指出口压力与进口压力、流量之间的关系变化，其中分为压力特性与流量特性；仅此两方面性能不足以完全反应调压器的最优调压性能，可通过对不同阀口开度调整，模拟分析其压力性质与流量性质。燃气调压器的调压特性试验涉及进口压力，输出流量、出口压力和阀口开度等参数。

3.1 三维模型建立

为了有效保证模型仿真模拟的计算精确度，减少计算量，需要不断简化燃气调压器的结构。本文采用Catia三维建模软件，依据CAD图纸建立三维模型如图1所示，其计算域模型如图2所示。

图1 调压器三维模型

图2 计算域模型

该型号的直流调压器的内部流道结构包括阀杆、阀瓣、阀口、膜片及弹簧等结构。

3.2 阀瓣模型建立

燃气调压器数值模拟的最终目的是绘制调压器的调压特性曲线，从而进一步分析出口压力与进口压力、流量之间的关系。而调压特性曲线由多组阀杆受力平衡工作点组成[6]。因此，通过模拟调压器的实际工况点，输出平衡点数据，实现数值模拟。根据各个阀瓣实际受力平衡情况判断实际使用工况点受力，平衡分析各个阀瓣的实际受力情况如图3所示。

图3 阀瓣受力分析图

图3中，F1表示薄膜所受压力的作用力，F2表示调压器主调弹簧作用力，Fbs表示阀瓣上表面受周围流体的作用力，Fbx表示阀瓣下表面受周围流体的作用力，G表示阀瓣及阀杆自身重力。

由此可知，阀瓣所受合力所得如下

F=F1+Fbx-Fbs-F2-G

(1)

(2)

3.3 薄膜有效面积模型

蝶形膜片形状像碟子，中间孔用于连接阀杆，由橡胶与丝布组成，O型边结构如图4所示。

图4 薄膜结构简易图

蝶形膜片作用于阀杆的力来源于两部分：一是直径d的托盘的作用力；二是膜片不受支托盘部分的环形面积，若膜片变形所需之力(挠度)忽略不计，阀杆直径暂不计算在内[7]。

设在圆环面上取圈截面积，其上所受微压力为

(3)

从而

(4)

环形膜片从最小半径到最大半径积分为

(5)

同时F1为直径d的托盘的作用力

(6)

总推力F为F1与F2之和

(7)

从(7)式中略去压力p这一项，即是膜片有效面积公式

(8)

式中，As表示薄膜有效面积；Ds表示薄膜直径；d表示托盘直径；p表示气体压力；F1表示直径d的托盘的作用力；F2表示环形面积所受的作用力；F表示阀杆所受合力。

3.4 弹簧压缩量模型建立

弹簧的刚度与压缩量决定主弹簧的弹力大小。该型号调压器在正常工作中主阀口最大开度为12.5mm，因此实验在确定阀口开度下进行，故认为主弹簧压缩量的变化忽略不计，同时主弹簣的弹力只受其压缩量的影响[8]。并且，阀杆等其它部件的重力为定值，故竖向方向合力也为定值。因此对式(2)进行改写得到式(9)

(9)

式中，s′表示弹簧压缩量。

3.5 网格划分

由于该模型流道结构复杂，CFD计算的前提条件是计算网格的合理设计与高质量网格的生成，一组高质量的网格是CFD解决计算精确度的关键所在。计算网格按网格之间的邻接关系可分为结构网格、非结构网格和混合网格三种类型[9]。非结构网格适用于几何结构较复杂的网格分类，同时非结构网格的求解速度较慢，准确度较低等问题；结构网格有计算快、精度高、排列规则等特点，在对象结构简易的情况下，采用混合网格对分析的结构进行划分。

调压器数值模拟主要区域为阀体内部的流域，即调压器的流场变化情况，通过建立的几何模型获取内部流场模型。本文所研究的调压器的流场结构复杂，采用Meshing模块对其网格划分，得到的流道模型如图5所示。

图5 流道模型

将流道模型保存为.cas格式导入CFD仿真软件中。在流道网格分类之前，通过Check功能进行网格检查，检查其网格完整程度，是否存在负体积、左手网格等问题。

通过Ansys中Meshing将调压器壁面作网格划分，并将其进行填充体网格划分。因为阀口位置结构不规则，流场产生梯度大，故将此位置进行混合网格划分，以保证其计算准确性[10]，对阀口与管壁处相连接位置进行网格加密，如图6所示。

图6 几何网格模型

4 数值模拟条件

4.1 湍流模型建立

阀体湍流数值模拟通常采用湍流模型，湍流会在速度变化处产生波动。由于平均N-S方程的不封闭性，通过湍流模型来求解封闭方程组，所以湍流模型的准确性会对模拟数据产生巨大影响。湍流模型可以选择无黏模型、层流模型、分离涡流DES模型、大涡模拟LES模型，流体试验表明，湍流模型雷诺数大于临界值，会使得流动特征发生变化，流动特性呈无序混乱状态，速度也会发生相应变化[11]。湍流模型的数值模拟方法有非直接数值模拟法和直接数值模拟法。而常用的K-ε模型在工程中得到了广泛的应用。

K-ε模型公式为

Gk+Gh-ρε-YM+Sk

(10)

(11)

式中，Gk表示由平均速度梯度而产生的湍动能k的产生项，表示为

(12)

Gb表示浮力影响导致的湍动能k的产生项，不可压缩流体取0；YM表示可压缩湍流脉动扩张对总耗散率的影响，不可压缩流体取0；Sk、Sε表示用户定义源项；C1ε、C2ε、C3ε表示经验常数，分别取1.44，1.92，0.09；σk、σε表示湍动能k和耗散率ε的湍流普朗特数，分别取1.0，1.3。

由于燃气调压器存在流固耦合，且该模型主要是基于湍流动能和扩散率的影响及分子之间黏性较小情况，故采用标准K-ε湍流模型。为了使得计算结果精准，需结合标准壁面函数模型对模型进行求解。标准表面函数具有计算量较小、适用性强、精度较高等优点。

4.2 边界条件

边界条件包括流动变量和热量在边界处的值，是求解数值模拟分析结果的重要因素。本模型主要确定燃气调压器的进出口边界及体积区域条件。进口边界条件包括质量入口、压力入口和进气口边界条件等类型；出口边界条件有压力出口、质量出口和通风口边界条件等类型；体积区域条件有流体区域与多孔介质区域等类型。

本文中调压器模拟时的边界条件较为复杂。根据实验，已知入口压力，将进口边界条件设为压力入口边界条件，入口压力为0.10～0.30MPa；由于在模拟过程中所建立的此开度下的调压器所对应的实际工况，为了避免重复建模，将出口边界条件设为压力出口边界条件，出口压力为2.0～3.0kPa；流道的其余面均定位成壁面。考虑理想条件下，可忽略壁面与环境的热交换对调压器内部流场的影响，只考虑管壁面粗糙度的影响[12]。根据大量实践证明，将调压器数值模拟中的壁面粗糙度设置为0.15mm对输出压力流量扰动最小。模型的边界条件设置如图10所示。通风口边界的压降与流体的动压关系，如式(13)所示。