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零部件如閥體、閥桿、閥瓣等,然后將各個零部件組裝在一起,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,首先建立一個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,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,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)過閥門時流道變窄,由流體力學(xué)知識可知流量一定時,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刻不同開度下的壓力特性,又由于當(dāng)開度小于45О時速度變化梯度較大,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,閥門的局部損失系數(shù)變化平緩,說明此時閥門的流量特性是較為穩(wěn)定的:在0.438s之后,隨著時間的推移,閥門開度逐漸減小,此時閥門的流動阻力系數(shù)呈指數(shù)上升趨勢,小開度時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)。