基于SolidWorks的閥門有限元仿真分析

引言

傳統(tǒng)的研究方法都是采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法來求解閥門內(nèi)部的流動特性,但是對于工程應(yīng)用實(shí)例來說,更迫切需要得到閥門在啟閉過程中的不同時(shí)刻對應(yīng)的流動特性,本文采用動網(wǎng)格技術(shù)和SolidWorkS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控閥門在啟閉過程中的流動特性,對于閥門的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有更加深刻的現(xiàn)實(shí)意義。

1閥門模型與流道模型的建立

建立符合實(shí)驗(yàn)要求的三維模型是對球閥運(yùn)行研究分析的基礎(chǔ),由于SolidWorkS在三維建模方面的操作性、準(zhǔn)確性都優(yōu)于ANSYS,所以本課題將先在SolidWorkS中建立閥門的三維模型,之后再導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行分析。

1.1繪制閥門及管道三維實(shí)體模型

首先繪制模型的各個(gè)零部件如閥體、閥桿、閥瓣等,然后將各個(gè)零部件組裝在一起,在各零部件之間添加必要的約束,以便其能模擬實(shí)際的運(yùn)動進(jìn)行運(yùn)動仿真,從而檢查裝配是否有錯(cuò)誤。閥門實(shí)體模型繪制完成如圖1所示。

為了進(jìn)行閥門內(nèi)部流場的仿真分析計(jì)算,需要簡化模型,刪除不必要的圓角和倒角,以及在閥門前后添加一定長度的進(jìn)口管道和出口管道;為便于查看內(nèi)部結(jié)構(gòu),調(diào)整閥體的透明度。簡化后的模型如圖2所示。

1.2繪制流道模型

得到了簡化后的閥門和管道實(shí)體模型后,需要建立流道模型。由于在SolidWorkS中不容易得到內(nèi)部復(fù)雜的流道模型,所以使用ANSYS中的DM來得到流道模型。將簡化后的SolidWorkS導(dǎo)入ANSYS中的DM模塊,DM模塊中可以抽取封閉域的內(nèi)體積。具體操作如下:首先打開ANSYS中的DM模塊,通過查找打開保存的簡化后的實(shí)體模型,如圖3所示。其次通過命令Concept一SurfaceSFormEdageS來補(bǔ)全管道兩端的缺失,以便形成封閉區(qū)域,如圖4所示。最后通過命令Too1S一Fi11來抽取該封閉域所包圍的內(nèi)體積,即得到閥門和管道的流道模型,如圖5所示。

2網(wǎng)格劃分

采用ANSYSICEM網(wǎng)格劃分工具,使用混合網(wǎng)格劃分方法,來劃分流動區(qū)域的網(wǎng)格。具體過程如下:將抽取的流道模型的幾何文件,保存為*.xt格式,打開ANSYSICEM導(dǎo)入幾何文件。因?yàn)橐M(jìn)行混合網(wǎng)格的劃分,所以首先要將流動模型切分為3個(gè)部分。為了切分模型,需要在距離中間閥體一定距離建立兩個(gè)截面,建立的截面如圖6所示。

切分模型后,在劃分網(wǎng)格之前,要給流動區(qū)域的所有壁面分別命名,以便于稍后設(shè)置分別劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。壁面的命名如表1所示。

2.1劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

首先將位于中部的FATI和FABAN隱藏掉,只剩下兩段圓柱管道,進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分。

選擇菜單Blocking一CreateBlock默認(rèn)設(shè)置,創(chuàng)建管道的3D塊,之后進(jìn)行塊的切分以及塊與模型的關(guān)聯(lián)。依據(jù)幾何的最小尺寸來設(shè)置網(wǎng)格的全局尺寸,可以通過預(yù)覽網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格尺寸的調(diào)整,一般通過調(diào)整網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)數(shù)量來實(shí)現(xiàn)加密和稀疏網(wǎng)格。最終劃分完成后的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖7所示。

因?yàn)樯院笠c非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行合成,所以需要將結(jié)構(gòu)網(wǎng)格轉(zhuǎn)化為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(形式上)。

具體操作是:File二MeSh二LoadFromBlocking。只有通過此步驟,才能完成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的匹配。

2.2劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

首先將除了FATI、FABAN、INTERFACEl和INTERFACE2的其他部件全部隱藏掉。劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格時(shí),首先建立一個(gè)Body(體),即由四面體組成的封閉區(qū)域,因?yàn)镮CEM中是通過Body來確定并劃分三維實(shí)體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的范圍的。

建立完Body后,首先設(shè)置全局網(wǎng)格尺寸,考慮到計(jì)算速度及精度要求,最大網(wǎng)格尺寸設(shè)置為8mm,選擇網(wǎng)格類型為四面體。在網(wǎng)格生成菜單中選擇對可見部分劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,否則會覆蓋掉之前生成的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。劃分后的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖8所示。

之后進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的匹配,主要工作就是對齊交界面處的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),即INTERFACEl和INTERFACE2。

具體操作如下:EditMeSh二MergeNodeS二MergeMeSheS。MergeSurfacemeShpartS分別選擇INTERFACE1和INTERF-ACE2,完成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的對齊。對齊后的網(wǎng)格如圖9所示。檢查網(wǎng)格質(zhì)量,沒有負(fù)網(wǎng)格,網(wǎng)格質(zhì)量在0.5以上,滿足計(jì)算要求,下一步進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖9 網(wǎng)格最終效果

3模擬計(jì)算

將劃分好的網(wǎng)格保存為*.mSh文件,打開Fluent,導(dǎo)入網(wǎng)格文件。檢查網(wǎng)格,如果沒有報(bào)錯(cuò),進(jìn)行后續(xù)設(shè)置計(jì)算工作。

3.1定常計(jì)算

求解閥門全開時(shí)定常計(jì)算的流動特性,其中邊界條件的設(shè)置如表2所示。

迭代求解完成后,即可得到閥門全開時(shí)正向承壓的流動特性。因?yàn)樵撻y門是可以雙向使用的,所以只需交換進(jìn)出口的邊界類型,進(jìn)行迭代求解,即可得到反向承壓的流動特性。

圖10、圖11分別為全開時(shí)的壓力云圖和速度云圖。

從壓力云圖中可以看出,無論是正向流動還是反向流動,當(dāng)流動介質(zhì)水流經(jīng)閥門時(shí),都會產(chǎn)生壓力降。壓力波動幅度不大,并且閥瓣周圍介質(zhì)的壓力較為均勻。

從速度云圖中可以看出,水以2m/S的速度進(jìn)入管道,經(jīng)過閥門時(shí)流道變窄,由流體力學(xué)知識可知流量一定時(shí),流動截面積越小,速度越大。這在速度云圖中也得到了很好的驗(yàn)證,水的速度增大為3.5m/S左右。觀察速度云圖還可以發(fā)現(xiàn),在閥瓣端面處也產(chǎn)生了速度的增量,這對于閥門的壽命影響是比較大的,所以對于閥瓣的結(jié)構(gòu)需做后續(xù)的研究。

3.2非定常計(jì)算

定常計(jì)算完成后,得到了閥門全開時(shí)的流場情況,以此作為初始條件,可以求解閥門關(guān)閉過程中的內(nèi)部流動特性。計(jì)算完成后,根據(jù)之前的保存設(shè)置,可以得到多組數(shù)據(jù)文件*.caS和*.data。通過打開這些結(jié)果文件,可以查看并得到這些閥門在不同時(shí)刻不同開度下的壓力云圖和速度云圖。

為了較為直觀地對比閥門在不同時(shí)刻不同開度下的壓力特性,又由于當(dāng)開度小于45О時(shí)速度變化梯度較大,所以對于0~0.803S選擇同一范圍的標(biāo)尺,0.876~1.241S選擇同一范圍的標(biāo)尺。隨著閥門關(guān)閉過程的進(jìn)行,閥門中的最大速度是在不斷變化的,通過后處理軟件得到了閥門關(guān)閉過程中的最大速度值,如表3所示。

在0~0.876S內(nèi),速度的階躍不是很大,對閥門的沖擊較小;在0.876S之后,隨著閥門開度逐漸變小,速度的階躍以指數(shù)增長,達(dá)到來流速度的5倍乃至10多倍(圖12),對于閥門的可靠運(yùn)行存在很大的隱患。

對于閥門除了壓力和速度這兩個(gè)比較重要的參數(shù)外,閥門的阻力損失對于閥門的性能也是特別重要的。根據(jù)水頭損失和局部損失系數(shù)可以推出局部損失系數(shù)與壓降的關(guān)系式,可參考文獻(xiàn)。取1NTERFACE1和1NTERFACE2作為閥門的進(jìn)出口斷面,來計(jì)算閥門的壓降,進(jìn)而計(jì)算出閥門的局部損失系數(shù)(表4),并繪制局部損失系數(shù)同閥門開度的變化趨勢。

從圖13可以看出,在0~0.438s內(nèi),閥門開度大于45°時(shí),閥門的局部損失系數(shù)變化平緩,說明此時(shí)閥門的流量特性是較為穩(wěn)定的:在0.438s之后,隨著時(shí)間的推移,閥門開度逐漸減小,此時(shí)閥門的流動阻力系數(shù)呈指數(shù)上升趨勢,小開度時(shí)閥門的流量特性較差。

圖13 閥門的流動阻力系數(shù)

4結(jié)語

本文主要講述了流場分析模型的建立過程、具體的網(wǎng)格劃分策略及最終的網(wǎng)格劃分結(jié)果以及閥門在初始形態(tài)下的流場分布情況,包括閥門全開時(shí)的定常計(jì)算,以及使用動網(wǎng)格技術(shù)和UDF技術(shù)計(jì)算了閥門在關(guān)閉的動態(tài)過程中所處的不同開度下的流場分布情況,為后續(xù)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了直觀有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。