基于數(shù)字孿生的燃?xì)庹{(diào)壓器建模與分析

王金棟，王亞慧，年介成

(北京建筑大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，北京100044)

1 引言

燃?xì)庹{(diào)壓器作為燃?xì)廨斉涔艿赖闹匾O(shè)備，對(duì)控制進(jìn)出口壓力起著重要作用。為了實(shí)現(xiàn)智能制造，提出了先進(jìn)的制造策略[1]。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等先進(jìn)的信息和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，為智能生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，智能生產(chǎn)的實(shí)際操作過程往往面臨著一個(gè)瓶頸：信息空間和物理空間之間的相互融合，由此產(chǎn)生了數(shù)字孿生技術(shù)。

目前在各大制造行業(yè)如能源、建筑、航空行業(yè)等對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的研究及運(yùn)用，推動(dòng)行業(yè)迅速發(fā)展。數(shù)字孿生技術(shù)的特點(diǎn)是動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)映射[2]。將虛擬模型、物理實(shí)體、服務(wù)系統(tǒng)連接為一個(gè)有機(jī)的整體，使物理信息與產(chǎn)品數(shù)據(jù)得以在各部分間交換傳遞。燃?xì)庑袠I(yè)緊跟信息產(chǎn)業(yè)步伐，通過數(shù)字孿生技術(shù)橋梁，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)能源行業(yè)與信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)結(jié)合，推動(dòng)燃?xì)庑袠I(yè)信息化、多元化、可視化。有效發(fā)揮數(shù)字孿生技術(shù)優(yōu)勢，產(chǎn)生效益最大化。

為此，文本提出了基于數(shù)字孿生的燃?xì)庹{(diào)壓器建模與分析。

2 智能制造技術(shù)與數(shù)字孿生技術(shù)

2.1 智能制造

智能制造技術(shù)是生產(chǎn)自動(dòng)化、數(shù)字技術(shù)、產(chǎn)品智能和新一代的信息技術(shù)融合而成的[3]。智能制造體系架構(gòu)集成了產(chǎn)品全生命周期過程，對(duì)于指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)等方面起著至關(guān)重要作用。目前，主要有三種數(shù)字化方法：數(shù)字孿生裝配建模仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)裝配建模仿真技術(shù)以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)裝配建模仿真技術(shù)。

2.2 數(shù)字孿生

大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的崛起，使得制造業(yè)與信息行業(yè)的結(jié)合迅速，從而促進(jìn)智能制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。制造業(yè)的物理結(jié)構(gòu)與信息網(wǎng)絡(luò)的互動(dòng)與融合，日益引起人們的關(guān)注。數(shù)字孿生將實(shí)體物理模型、運(yùn)維數(shù)據(jù)集成于一個(gè)信息體內(nèi)，使得信息體內(nèi)獲取多維度、多信息的仿真數(shù)據(jù)[4]。將實(shí)物在信息虛擬空間中得以復(fù)現(xiàn)。通過信息的交互，對(duì)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)服務(wù)等方面監(jiān)控與分析，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力。

3 燃?xì)庹{(diào)壓器三維建模

燃?xì)庹{(diào)壓器的調(diào)壓特性反映了實(shí)際出口壓力與管道燃?xì)饬髁颗c進(jìn)口壓力之間的變化關(guān)系。因考慮到生產(chǎn)成本，調(diào)壓特性需在產(chǎn)品生產(chǎn)后進(jìn)行測試獲取[5]。為了減少產(chǎn)品的生產(chǎn)浪費(fèi)，更精確地模擬調(diào)壓器流場，并提前對(duì)內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，采用數(shù)字孿生技術(shù)建立全仿真模型，此模型必須與實(shí)際產(chǎn)品具有一定程度符合度，才能得到可靠的數(shù)值模擬結(jié)果。

調(diào)壓器的靜特性是指出口壓力與進(jìn)口壓力、流量之間的關(guān)系變化，其中分為壓力特性與流量特性；僅此兩方面性能不足以完全反應(yīng)調(diào)壓器的最優(yōu)調(diào)壓性能，可通過對(duì)不同閥口開度調(diào)整，模擬分析其壓力性質(zhì)與流量性質(zhì)。燃?xì)庹{(diào)壓器的調(diào)壓特性試驗(yàn)涉及進(jìn)口壓力，輸出流量、出口壓力和閥口開度等參數(shù)。

3.1 三維模型建立

為了有效保證模型仿真模擬的計(jì)算精確度，減少計(jì)算量，需要不斷簡化燃?xì)庹{(diào)壓器的結(jié)構(gòu)。本文采用Catia三維建模軟件，依據(jù)CAD圖紙建立三維模型如圖1所示，其計(jì)算域模型如圖2所示。

圖1 調(diào)壓器三維模型

圖2 計(jì)算域模型

該型號(hào)的直流調(diào)壓器的內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)包括閥桿、閥瓣、閥口、膜片及彈簧等結(jié)構(gòu)。

3.2 閥瓣模型建立

燃?xì)庹{(diào)壓器數(shù)值模擬的最終目的是繪制調(diào)壓器的調(diào)壓特性曲線，從而進(jìn)一步分析出口壓力與進(jìn)口壓力、流量之間的關(guān)系。而調(diào)壓特性曲線由多組閥桿受力平衡工作點(diǎn)組成[6]。因此，通過模擬調(diào)壓器的實(shí)際工況點(diǎn)，輸出平衡點(diǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬。根據(jù)各個(gè)閥瓣實(shí)際受力平衡情況判斷實(shí)際使用工況點(diǎn)受力，平衡分析各個(gè)閥瓣的實(shí)際受力情況如圖3所示。

圖3 閥瓣受力分析圖

圖3中，F(xiàn)1表示薄膜所受壓力的作用力，F(xiàn)2表示調(diào)壓器主調(diào)彈簧作用力，F(xiàn)bs表示閥瓣上表面受周圍流體的作用力，F(xiàn)bx表示閥瓣下表面受周圍流體的作用力，G表示閥瓣及閥桿自身重力。

由此可知，閥瓣所受合力所得如下

F=F1+Fbx-Fbs-F2-G

(1)

(2)

3.3 薄膜有效面積模型

蝶形膜片形狀像碟子，中間孔用于連接閥桿，由橡膠與絲布組成，O型邊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 薄膜結(jié)構(gòu)簡易圖

蝶形膜片作用于閥桿的力來源于兩部分：一是直徑d的托盤的作用力；二是膜片不受支托盤部分的環(huán)形面積，若膜片變形所需之力(撓度)忽略不計(jì)，閥桿直徑暫不計(jì)算在內(nèi)[7]。

設(shè)在圓環(huán)面上取圈截面積，其上所受微壓力為

(3)

從而

(4)

環(huán)形膜片從最小半徑到最大半徑積分為

(5)

同時(shí)F1為直徑d的托盤的作用力

(6)

總推力F為F1與F2之和

(7)

從(7)式中略去壓力p這一項(xiàng)，即是膜片有效面積公式

(8)

式中，As表示薄膜有效面積；Ds表示薄膜直徑；d表示托盤直徑；p表示氣體壓力；F1表示直徑d的托盤的作用力；F2表示環(huán)形面積所受的作用力；F表示閥桿所受合力。

3.4 彈簧壓縮量模型建立

彈簧的剛度與壓縮量決定主彈簧的彈力大小。該型號(hào)調(diào)壓器在正常工作中主閥口最大開度為12.5mm，因此實(shí)驗(yàn)在確定閥口開度下進(jìn)行，故認(rèn)為主彈簧壓縮量的變化忽略不計(jì)，同時(shí)主彈簣的彈力只受其壓縮量的影響[8]。并且，閥桿等其它部件的重力為定值，故豎向方向合力也為定值。因此對(duì)式(2)進(jìn)行改寫得到式(9)

(9)

式中，s′表示彈簧壓縮量。

3.5 網(wǎng)格劃分

由于該模型流道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，CFD計(jì)算的前提條件是計(jì)算網(wǎng)格的合理設(shè)計(jì)與高質(zhì)量網(wǎng)格的生成，一組高質(zhì)量的網(wǎng)格是CFD解決計(jì)算精確度的關(guān)鍵所在。計(jì)算網(wǎng)格按網(wǎng)格之間的鄰接關(guān)系可分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格三種類型[9]。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格適用于幾何結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的網(wǎng)格分類，同時(shí)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的求解速度較慢，準(zhǔn)確度較低等問題；結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有計(jì)算快、精度高、排列規(guī)則等特點(diǎn)，在對(duì)象結(jié)構(gòu)簡易的情況下，采用混合網(wǎng)格對(duì)分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分。

調(diào)壓器數(shù)值模擬主要區(qū)域?yàn)殚y體內(nèi)部的流域，即調(diào)壓器的流場變化情況，通過建立的幾何模型獲取內(nèi)部流場模型。本文所研究的調(diào)壓器的流場結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用Meshing模塊對(duì)其網(wǎng)格劃分，得到的流道模型如圖5所示。

圖5 流道模型

將流道模型保存為.cas格式導(dǎo)入CFD仿真軟件中。在流道網(wǎng)格分類之前，通過Check功能進(jìn)行網(wǎng)格檢查，檢查其網(wǎng)格完整程度，是否存在負(fù)體積、左手網(wǎng)格等問題。

通過Ansys中Meshing將調(diào)壓器壁面作網(wǎng)格劃分，并將其進(jìn)行填充體網(wǎng)格劃分。因?yàn)殚y口位置結(jié)構(gòu)不規(guī)則，流場產(chǎn)生梯度大，故將此位置進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分，以保證其計(jì)算準(zhǔn)確性[10]，對(duì)閥口與管壁處相連接位置進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖6所示。

圖6 幾何網(wǎng)格模型

4 數(shù)值模擬條件

4.1 湍流模型建立

閥體湍流數(shù)值模擬通常采用湍流模型，湍流會(huì)在速度變化處產(chǎn)生波動(dòng)。由于平均N-S方程的不封閉性，通過湍流模型來求解封閉方程組，所以湍流模型的準(zhǔn)確性會(huì)對(duì)模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生巨大影響。湍流模型可以選擇無黏模型、層流模型、分離渦流DES模型、大渦模擬LES模型，流體試驗(yàn)表明，湍流模型雷諾數(shù)大于臨界值，會(huì)使得流動(dòng)特征發(fā)生變化，流動(dòng)特性呈無序混亂狀態(tài)，速度也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化[11]。湍流模型的數(shù)值模擬方法有非直接數(shù)值模擬法和直接數(shù)值模擬法。而常用的K-ε模型在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

K-ε模型公式為

Gk+Gh-ρε-YM+Sk

(10)

(11)

式中，Gk表示由平均速度梯度而產(chǎn)生的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，表示為

(12)

Gb表示浮力影響導(dǎo)致的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)，不可壓縮流體取0；YM表示可壓縮湍流脈動(dòng)擴(kuò)張對(duì)總耗散率的影響，不可壓縮流體取0；Sk、Sε表示用戶定義源項(xiàng)；C1ε、C2ε、C3ε表示經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，分別取1.44，1.92，0.09；σk、σε表示湍動(dòng)能k和耗散率ε的湍流普朗特?cái)?shù)，分別取1.0，1.3。

由于燃?xì)庹{(diào)壓器存在流固耦合，且該模型主要是基于湍流動(dòng)能和擴(kuò)散率的影響及分子之間黏性較小情況，故采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε湍流模型。為了使得計(jì)算結(jié)果精準(zhǔn)，需結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模型對(duì)模型進(jìn)行求解。標(biāo)準(zhǔn)表面函數(shù)具有計(jì)算量較小、適用性強(qiáng)、精度較高等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 邊界條件

邊界條件包括流動(dòng)變量和熱量在邊界處的值，是求解數(shù)值模擬分析結(jié)果的重要因素。本模型主要確定燃?xì)庹{(diào)壓器的進(jìn)出口邊界及體積區(qū)域條件。進(jìn)口邊界條件包括質(zhì)量入口、壓力入口和進(jìn)氣口邊界條件等類型；出口邊界條件有壓力出口、質(zhì)量出口和通風(fēng)口邊界條件等類型；體積區(qū)域條件有流體區(qū)域與多孔介質(zhì)區(qū)域等類型。

本文中調(diào)壓器模擬時(shí)的邊界條件較為復(fù)雜。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，已知入口壓力，將進(jìn)口邊界條件設(shè)為壓力入口邊界條件，入口壓力為0.10～0.30MPa；由于在模擬過程中所建立的此開度下的調(diào)壓器所對(duì)應(yīng)的實(shí)際工況，為了避免重復(fù)建模，將出口邊界條件設(shè)為壓力出口邊界條件，出口壓力為2.0～3.0kPa；流道的其余面均定位成壁面?？紤]理想條件下，可忽略壁面與環(huán)境的熱交換對(duì)調(diào)壓器內(nèi)部流場的影響，只考慮管壁面粗糙度的影響[12]。根據(jù)大量實(shí)踐證明，將調(diào)壓器數(shù)值模擬中的壁面粗糙度設(shè)置為0.15mm對(duì)輸出壓力流量擾動(dòng)最小。模型的邊界條件設(shè)置如圖10所示。通風(fēng)口邊界的壓降與流體的動(dòng)壓關(guān)系，如式(13)所示。

(13)

式中，ΔP表示流向壓降；kw表示局部阻力系數(shù)；ρ表示氣體密度；v表示垂直于通風(fēng)口邊界的速度分量。

由式(13)可知，在Ansys模擬計(jì)算中，局部阻力損失系數(shù)k與氣體流量、流速成反比，若隨之k增大，ΔP降低，從而導(dǎo)致出口壓力過高。因此在最初模擬中，選取較小局部阻力損失系數(shù)。邊界條件設(shè)置位置如圖7所示。

圖7 邊界條件設(shè)置位置

在出口邊界條件設(shè)置中，局部阻力損失系數(shù)會(huì)造成仿真計(jì)算的不穩(wěn)定性，其計(jì)算方法有常量、垂向速度的分段多項(xiàng)式函數(shù)、多項(xiàng)式以及分段線性函數(shù)等，本文采用常量方法。通過上述步驟，實(shí)現(xiàn)燃?xì)庹{(diào)壓器建模與分析。

5 仿真與模型驗(yàn)證

本文以進(jìn)口壓力P1=0.11MPa，出口壓力P2=2kPa的工況進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置在CFD仿真軟件中，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果分析比較，繪制流量特性曲線如圖8所示，對(duì)該工況下流量點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的流場仿真模擬，對(duì)稱面壓力云如圖9所示。

圖8 流量特性曲線

圖9 對(duì)稱面壓力云圖

以閥口開度為2.0mm，入口壓力為0.15MPa的工況進(jìn)行模擬仿真。當(dāng)出口局部阻力系數(shù)為51.6時(shí)，閥瓣所受合力為0.12N，幾乎處于平衡狀態(tài)。由圖11可知，在此工況下，流量為390.3m3/h，出口壓力為2.46kPa。

經(jīng)過計(jì)算模擬收斂，使得調(diào)壓器處于平衡狀態(tài)，為了更清晰地表達(dá)出流體在流道過程中的變化，本文在調(diào)壓器流道中心選取了20個(gè)點(diǎn)，其內(nèi)部壓力云如圖10所示。

圖10 調(diào)壓器內(nèi)部壓力云圖

由圖10所示，氣流進(jìn)入左端直管段緩沖區(qū)，壓力均衡，進(jìn)入閥口下端時(shí)，因?yàn)殚y口的開度相比于管徑入口處的開度較小，導(dǎo)致壓力呈逐漸減小狀態(tài)，當(dāng)進(jìn)入上部閥口處，壓力逐步穩(wěn)定，直至出口邊界直管段處。

圖11所示為調(diào)壓器速度云圖。

圖11 調(diào)壓器速度云圖

從圖11所示的調(diào)壓器速度云圖中可以看出，在進(jìn)口直管段處流速不變，當(dāng)處于直管段與閥體外輪廓處，管徑變小，由于閥口開度相比管徑較小，流速迅速增大；當(dāng)流體進(jìn)入閥體上部后，過流截面的減小，造成流速迅速增大；節(jié)流過后進(jìn)入出口直管段，流速減小趨于穩(wěn)定。

圖12所示為調(diào)壓器速度矢量圖。

圖12 調(diào)壓器速度矢量圖

從圖12所示看出，流速最大處于閥口外沿。由于此處流體經(jīng)過的位置截面積最小，會(huì)產(chǎn)生兩段漩渦區(qū)，在上部腔體外側(cè)產(chǎn)生負(fù)壓強(qiáng)區(qū)，導(dǎo)致壓強(qiáng)減小，最終使得流速的增加。

6 結(jié)論

本文采用數(shù)字孿生技術(shù)建立調(diào)壓器三維模型，并建立數(shù)值分析和計(jì)算流體力學(xué)模擬平臺(tái)。

1)建立燃?xì)庹{(diào)壓器數(shù)字孿生信息模型；

2)對(duì)調(diào)壓器閥瓣、薄膜有效面積和彈簧壓縮量進(jìn)行了受力分析，建立起受合力數(shù)學(xué)模型并修正；

3)選取邊界條件及湍流模型條件，進(jìn)行特殊網(wǎng)格劃分處理；

4)對(duì)閥體內(nèi)部流場模擬并繪制靜特性曲線，分析閥體內(nèi)部壓力、流速等參量變化。

本文提供了燃?xì)庑袠I(yè)特定產(chǎn)品的數(shù)據(jù)交互、實(shí)時(shí)映射的新思路，使得在燃?xì)庑袠I(yè)新型產(chǎn)品研發(fā)過程融合信息新技術(shù)，通過數(shù)字孿生技術(shù)可預(yù)測其特性變化，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)運(yùn)維等方面發(fā)揮了重要作用。