基于SolidWorks的閥門有限元仿真分析

時間：2022-09-15 02:10:17

關鍵字：偏心半球閥有限元分析三維實體模型

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[導讀]摘要:以某DN250的偏心半球閥為例,結合這種閥門的結構特點和工作原理,首先采用SolidWorkS繪制了偏心半球閥的三維實體,然后通過軟件抽取得到了閥門的流道分析模型,再用前處理軟件ANSYS一ICEM進行結構簡化,并使用結構網格與非結構網格相結合的方法劃分混合網格,最后導入Fluent,用湍流模型對偏心半球閥的流場進行仿真分析,仿真結果具有較高的精度。

引言

傳統(tǒng)的研究方法都是采用穩(wěn)態(tài)計算方法來求解閥門內部的流動特性,但是對于工程應用實例來說,更迫切需要得到閥門在啟閉過程中的不同時刻對應的流動特性,本文采用動網格技術和SolidWorkS技術實現了監(jiān)控閥門在啟閉過程中的流動特性,對于閥門的優(yōu)化設計具有更加深刻的現實意義。

1閥門模型與流道模型的建立

建立符合實驗要求的三維模型是對球閥運行研究分析的基礎,由于SolidWorkS在三維建模方面的操作性、準確性都優(yōu)于ANSYS,所以本課題將先在SolidWorkS中建立閥門的三維模型,之后再導入ANSYS中進行分析。

1.1繪制閥門及管道三維實體模型

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,以便其能模擬實際的運動進行運動仿真,從而檢查裝配是否有錯誤。閥門實體模型繪制完成如圖1所示。

為了進行閥門內部流場的仿真分析計算,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口管道和出口管道;為便于查看內部結構,調整閥體的透明度。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體模型后,需要建立流道模型。由于在SolidWorkS中不容易得到內部復雜的流道模型,所以使用ANSYS中的DM來得到流道模型。將簡化后的SolidWorkS導入ANSYS中的DM模塊,DM模塊中可以抽取封閉域的內體積。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體模型,如圖3所示。其次通過命令Concept一SurfaceSFormEdageS來補全管道兩端的缺失,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體積,即得到閥門和管道的流道模型,如圖5所示。

2網格劃分

采用ANSYSICEM網格劃分工具,使用混合網格劃分方法,來劃分流動區(qū)域的網格。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導入幾何文件。因為要進行混合網格的劃分,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,以便于稍后設置分別劃分結構網格和非結構網格。壁面的命名如表1所示。

2.1劃分結構網格

首先將位于中部的FATI和FABAN隱藏掉,只剩下兩段圓柱管道,進行結構網格的劃分。

選擇菜單Blocking一CreateBlock默認設置,創(chuàng)建管道的3D塊,之后進行塊的切分以及塊與模型的關聯(lián)。依據幾何的最小尺寸來設置網格的全局尺寸,可以通過預覽網格進行網格尺寸的調整,一般通過調整網格的節(jié)點數量來實現加密和稀疏網格。最終劃分完成后的結構網格如圖7所示。

因為稍后要與非結構網格進行合成,所以需要將結構網格轉化為非結構網格(形式上)。

具體操作是:File二MeSh二LoadFromBlocking。只有通過此步驟,才能完成結構網格和非結構網格的匹配。

2.2劃分非結構網格

首先將除了FATI、FABAN、INTERFACEl和INTERFACE2的其他部件全部隱藏掉。劃分非結構網格時,首先建立一個Body(體),即由四面體組成的封閉區(qū)域,因為ICEM中是通過Body來確定并劃分三維實體的非結構網格的范圍的。

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

之后進行結構網格和非結構網格的匹配,主要工作就是對齊交界面處的網格節(jié)點,即INTERFACEl和INTERFACE2。

具體操作如下:EditMeSh二MergeNodeS二MergeMeSheS。MergeSurfacemeShpartS分別選擇INTERFACE1和INTERF-ACE2,完成結構網格和非結構網格的對齊。對齊后的網格如圖9所示。檢查網格質量,沒有負網格,網格質量在0.5以上,滿足計算要求,下一步進行模擬計算。

圖9 網格最終效果

3模擬計算

將劃分好的網格保存為*.mSh文件,打開Fluent,導入網格文件。檢查網格,如果沒有報錯,進行后續(xù)設置計算工作。

3.1定常計算

求解閥門全開時定常計算的流動特性,其中邊界條件的設置如表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。因為該閥門是可以雙向使用的,所以只需交換進出口的邊界類型,進行迭代求解,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,當流動介質水流經閥門時,都會產生壓力降。壓力波動幅度不大,并且閥瓣周圍介質的壓力較為均勻。

從速度云圖中可以看出,水以2m/S的速度進入管道,經過閥門時流道變窄,由流體力學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,在閥瓣端面處也產生了速度的增量,這對于閥門的壽命影響是比較大的,所以對于閥瓣的結構需做后續(xù)的研究。

3.2非定常計算

定常計算完成后,得到了閥門全開時的流場情況,以此作為初始條件,可以求解閥門關閉過程中的內部流動特性。計算完成后,根據之前的保存設置,可以得到多組數據文件*.caS和*.data。通過打開這些結果文件,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選擇同一范圍的標尺,0.876~1.241S選擇同一范圍的標尺。隨著閥門關閉過程的進行,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閉過程中的最大速度值,如表3所示。

在0~0.876S內,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,速度的階躍以指數增長,達到來流速度的5倍乃至10多倍(圖12),對于閥門的可靠運行存在很大的隱患。

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