基于SolidWorks的阀门有限元仿真分析

时间：2022-09-15 02:10:17

关键字：偏心半球阀有限元分析三维实体模型

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[导读]摘要:以某DN250的偏心半球阀为例,结合这种阀门的结构特点和工作原理,首先采用SolidWorkS绘制了偏心半球阀的三维实体,然后通过软件抽取得到了阀门的流道分析模型,再用前处理软件ANSYS一ICEM进行结构简化,并使用结构网格与非结构网格相结合的方法划分混合网格,最后导入Fluent,用湍流模型对偏心半球阀的流场进行仿真分析,仿真结果具有较高的精度。

引言

传统的研究方法都是采用稳态计算方法来求解阀门内部的流动特性,但是对于工程应用实例来说,更迫切需要得到阀门在启闭过程中的不同时刻对应的流动特性,本文采用动网格技术和SolidWorkS技术实现了监控阀门在启闭过程中的流动特性,对于阀门的优化设计具有更加深刻的现实意义。

1阀门模型与流道模型的建立

建立符合实验要求的三维模型是对球阀运行研究分析的基础,由于SolidWorkS在三维建模方面的操作性、准确性都优于ANSYS,所以本课题将先在SolidWorkS中建立阀门的三维模型,之后再导入ANSYS中进行分析。

1.1绘制阀门及管道三维实体模型

首先绘制模型的各个零部件如阀体、阀杆、阀瓣等,然后将各个零部件组装在一起,在各零部件之间添加必要的约束,以便其能模拟实际的运动进行运动仿真,从而检查装配是否有错误。阀门实体模型绘制完成如图1所示。

为了进行阀门内部流场的仿真分析计算,需要简化模型,删除不必要的圆角和倒角,以及在阀门前后添加一定长度的进口管道和出口管道;为便于查看内部结构,调整阀体的透明度。简化后的模型如图2所示。

1.2绘制流道模型

得到了简化后的阀门和管道实体模型后,需要建立流道模型。由于在SolidWorkS中不容易得到内部复杂的流道模型,所以使用ANSYS中的DM来得到流道模型。将简化后的SolidWorkS导入ANSYS中的DM模块,DM模块中可以抽取封闭域的内体积。具体操作如下:首先打开ANSYS中的DM模块,通过查找打开保存的简化后的实体模型,如图3所示。其次通过命令Concept一SurfaceSFormEdageS来补全管道两端的缺失,以便形成封闭区域,如图4所示。最后通过命令Too1S一Fi11来抽取该封闭域所包围的内体积,即得到阀门和管道的流道模型,如图5所示。

2网格划分

采用ANSYSICEM网格划分工具,使用混合网格划分方法,来划分流动区域的网格。具体过程如下:将抽取的流道模型的几何文件,保存为*.xt格式,打开ANSYSICEM导入几何文件。因为要进行混合网格的划分,所以首先要将流动模型切分为3个部分。为了切分模型,需要在距离中间阀体一定距离建立两个截面,建立的截面如图6所示。

切分模型后,在划分网格之前,要给流动区域的所有壁面分别命名,以便于稍后设置分别划分结构网格和非结构网格。壁面的命名如表1所示。

2.1划分结构网格

首先将位于中部的FATI和FABAN隐藏掉,只剩下两段圆柱管道,进行结构网格的划分。

选择菜单Blocking一CreateBlock默认设置,创建管道的3D块,之后进行块的切分以及块与模型的关联。依据几何的最小尺寸来设置网格的全局尺寸,可以通过预览网格进行网格尺寸的调整,一般通过调整网格的节点数量来实现加密和稀疏网格。最终划分完成后的结构网格如图7所示。

因为稍后要与非结构网格进行合成,所以需要将结构网格转化为非结构网格(形式上)。

具体操作是:File二MeSh二LoadFromBlocking。只有通过此步骤,才能完成结构网格和非结构网格的匹配。

2.2划分非结构网格

首先将除了FATI、FABAN、INTERFACEl和INTERFACE2的其他部件全部隐藏掉。划分非结构网格时,首先建立一个Body(体),即由四面体组成的封闭区域,因为ICEM中是通过Body来确定并划分三维实体的非结构网格的范围的。

建立完Body后,首先设置全局网格尺寸,考虑到计算速度及精度要求,最大网格尺寸设置为8mm,选择网格类型为四面体。在网格生成菜单中选择对可见部分划分非结构网格,否则会覆盖掉之前生成的结构网格。划分后的非结构网格如图8所示。

之后进行结构网格和非结构网格的匹配,主要工作就是对齐交界面处的网格节点,即INTERFACEl和INTERFACE2。

具体操作如下:EditMeSh二MergeNodeS二MergeMeSheS。MergeSurfacemeShpartS分别选择INTERFACE1和INTERF-ACE2,完成结构网格和非结构网格的对齐。对齐后的网格如图9所示。检查网格质量,没有负网格,网格质量在0.5以上,满足计算要求,下一步进行模拟计算。

图9 网格最终效果

3模拟计算

将划分好的网格保存为*.mSh文件,打开Fluent,导入网格文件。检查网格,如果没有报错,进行后续设置计算工作。

3.1定常计算

求解阀门全开时定常计算的流动特性,其中边界条件的设置如表2所示。

迭代求解完成后,即可得到阀门全开时正向承压的流动特性。因为该阀门是可以双向使用的,所以只需交换进出口的边界类型,进行迭代求解,即可得到反向承压的流动特性。

图10、图11分别为全开时的压力云图和速度云图。

从压力云图中可以看出,无论是正向流动还是反向流动,当流动介质水流经阀门时,都会产生压力降。压力波动幅度不大,并且阀瓣周围介质的压力较为均匀。

从速度云图中可以看出,水以2m/S的速度进入管道,经过阀门时流道变窄,由流体力学知识可知流量一定时,流动截面积越小,速度越大。这在速度云图中也得到了很好的验证,水的速度增大为3.5m/S左右。观察速度云图还可以发现,在阀瓣端面处也产生了速度的增量,这对于阀门的寿命影响是比较大的,所以对于阀瓣的结构需做后续的研究。

3.2非定常计算

定常计算完成后,得到了阀门全开时的流场情况,以此作为初始条件,可以求解阀门关闭过程中的内部流动特性。计算完成后,根据之前的保存设置,可以得到多组数据文件*.caS和*.data。通过打开这些结果文件,可以查看并得到这些阀门在不同时刻不同开度下的压力云图和速度云图。

为了较为直观地对比阀门在不同时刻不同开度下的压力特性,又由于当开度小于45О时速度变化梯度较大,所以对于0~0.803S选择同一范围的标尺,0.876~1.241S选择同一范围的标尺。随着阀门关闭过程的进行,阀门中的最大速度是在不断变化的,通过后处理软件得到了阀门关闭过程中的最大速度值,如表3所示。

在0~0.876S内,速度的阶跃不是很大,对阀门的冲击较小;在0.876S之后,随着阀门开度逐渐变小,速度的阶跃以指数增长,达到来流速度的5倍乃至10多倍(图12),对于阀门的可靠运行存在很大的隐患。

对于阀门除了压力和速度这两个比较重要的参数外,阀门的阻力损失对于阀门的性能也是特别重要的。根据水头损失和局部损失系数可以推出局部损失系数与压降的关系式,可参考文献。取1NTERFACE1和1NTERFACE2作为阀门的进出口断面,来计算阀门的压降,进而计算出阀门的局部损失系数(表4),并绘制局部损失系数同阀门开度的变化趋势。