【免费】-》基于Fluent的调节阀内部流场数值模拟

基于 Fluent的调节阀内部流场数值模拟 徐宏海 1 杨 丽 1 詹 宁 2 （1北方工业大学 机电工程学院，北京 100041）（2北京市埃珂特机电技术有限公司，北京 100037） Numerical simulation based on fluent about flow field of control valve XU Hong-hai1，YANG Li1，ZHAN Ning2 （1College of Electromechanical Engineering，North China University of Technology，Beijing 100041，China） （2Beijing ACT Mechanical & Electronic Tech. Ltd.，Beijing 100037，China） 文章编号：1001-3997（2009）07-0214-02 【摘 要】建立了调节阀内部流场三维模型，采用通用 CFD软件 Fluent对其内部复杂流场进行了三 维粘性数值模拟，通过对调节阀流量系数模拟值与理论值的比较，表明应用 Fluent对调节阀进行模拟计 算是可靠的，为调节阀结构改进提供了理论依据。 关键词：调节阀；内部流场；数值模拟；流量系数 【Abstract】It established internal 3D flow field of control valve. The numerical simulation of control valve was accomplished with the common software Fluent. By comparing simulation value and theoretical value of flow coefficient，it is proved that Fluent is effective in the flow field simulating of control valve. It can provide theory basic for the structure improvement of control valve. Key words：Control valve；Internal flow field；Numerical simulation；Flow coefficient ������������������������������������������� � � � � � � � � � � � �������������������������������������������� � � � � � � � � � � � � 中图分类号：TH16，TK414.1+8 文献标识码：A ＊来稿日期：2008-10-12 1引言 研究的电动调节阀主要用于空调、制冷、采暖等楼宇自动控 制系统中冷/热水，蒸汽的流量调节。它是一个不可缺少的控制元 件，同时也是产生能耗的元件。因此，研究调节阀的水力特性，对 于降低能量损失以及指导阀门设计有十分重要的意义。由于调节 阀内部流动极其复杂，对于调节阀水利特性的研究主要还是以试 验为主，成本高，耗时长，不利于新产品的开发。随着计算机与 CFD的发展，CFD数值模拟的优越性越来越明显，它不仅能详细 地显示调节阀的内部流场，而且相对于实验研究，它有其独特的 优点：研究成本低，周期短；能在计算机上直观地显示结果，便于 优化设计；同时，它具有很好的重复性，条件容易控制。 利用 Fluent软件对调节阀内部的三维粘性流场进行了数值 模拟，并对可视化结果以及流量特性进行了分析。 2几何建模 调节阀的实体模型，如图 1所示。 图 1 实体模型 需要建立内部流体区域的模型，使用 CATIA软件建模，考虑 到对称性结构以及计算速度，取阀门内部流道区域的一半作为计 算区域。为了使流体充分流动，前后管道分别加长 2倍管径和 5 倍管径。 3流场分析理论基础 假设调节阀内部流动为三维不可压缩粘性流动，内部流体为 紊流流动。用标准 κ-ε紊流模型来封闭湍流时均运动控制方程[1]。 （1）不可压缩流体的连续性方程： 坠（ρui） 坠xi =0 （1） （2）不可压缩流体紊流运动方程： 坠（ρui） 坠t + 坠（ρuiuj） 坠xi ＝ρfi - 坠p坠xi + 坠坠xj μ 坠ui坠xj＊ ＊+ - 坠（ρui′uj′）坠xj＊ ＊（2） （3）标准 κ-ε方程： υt=Cμ κ 2 ε （3） （4）紊流动能 κ的方程： 坠κ 坠t +uj 坠κ 坠xj =υt 坠ui坠xj + 坠uj坠xi ＊ ＊坠ui坠xj - 坠坠xj υtσκ -＊ ＊υ 坠κ坠xj＊ ＊-ε （4） （5）耗散率 ε的方程： 坠ε 坠t +uj 坠ε 坠xj ＝-Cε1坠ui坠uj 坠ui坠xj - 坠坠xj υt σε -＊ ＊υ 坠ε坠xj＊ ＊-Cε2 ε 2 κ （5） 式中：ρ—流体密度；ui—流体沿方向的速度分量；p—流体微元体 上的压力；μ—动力粘度；υt—湍动粘度；κ—湍流动能；ε— 耗散率；υ—运动粘度；模型常数：Cε1=1.44，Cε2=1.92，σκ=1.0， σε=1.3。 4网格划分与边界条件 利用 Fluent前处理软件 Gambit进行网格划分，在阀芯附近， 速度与压强的梯度比较大，因此在此处进行网格细化，采用的是 Machinery Design ＆ Manufacture 机械设计与制造 第 8期 2009年 8月214 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 非结构化的四面体网格；而在进出口采用六面体网格。总网格数 在（15～20）万之间，如图 2所示。以进、出口压力作为边界条件[2]。 图 2 计算网格 5定常计算 采用分离求解器（Segregated）进行求解，流体介质为水，密度 为 1000kg/m3，动力粘度系数为 υ=0.001003Pa·s。设定边界条件为 进口压力和出口压力，湍流模型采用标准 κ-ε方程，模型参数设 为湍流强度 I和水力直径 D。近壁区采用标准壁面函数法，固壁 面采用无滑移边界条件。压力和速度的耦合采用 SIMPLE算法， 离散格式全部采用二阶迎风格式，求解过程中松弛因子为：压力 项 0.2，速度项 0.5，紊流动能和耗散率均为 0.5，监视进、出口的质 量流量。 6计算结果及分析 对 DN40调节阀全开时进行模拟分析，迭代 15000次达到收 敛，模拟结果，如图 3～图 10所示。从残差图以及进口流量监测 图，如图 3、图 4所示。可以看出，收敛效果很好，说明所建模型以 及计算 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 是合理的[3]。 图 3 残差图 图 4 进口流量监测图 6.1内部流场分析 （1）从速度图和压力图来看，如图 5、图 6所示。管道进、出口 速度与压力分布比较均匀，表明所取得计算区域可以让水流充分 流动，水流至阀芯底部时滞至，此处压力升到最高。当水流至阀芯 与阀座之间时，流通面积迅速减小，此处的压力也迅速降低，而速 度达到最大，流过阀芯时，压力上升而速度下降。 图 5 流场速度分布图 图 6 流场压力分布图 （2）从压力等值线来看，如图 7所示。在阀芯附近分布较密， 压力降主要集中在此。 图 7 压力等值线分布 （3）从速度矢量图可知，如图 8所示。经阀芯流出的主流集中 在管的顶部，流速不均匀。 图 8 速度矢量图 （4）从紊流动能等值线图可知（图略）。紊流动能在阀芯附近 分布最密，紊流动能最大，能量损失主要集中在此。 （5）从流线图可以清楚地看到（图略）。在上阀腔的右下侧以 及下阀腔左上侧有较大范围的漩涡，并在上阀腔右下侧形成了剧 烈紊动的分离回流区，引起能量损失。 6.2流量特性分析 调节阀的流量系数定义为：温度为（278～323）K（5～40℃）的水 在 105Pa 压强下，1h 内流过调节阀的立方米数，用 m3/h 表示。 第 8期 徐宏海等：基于 Fluent的调节阀内部流场数值模拟 215 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 客车侧翻的上部结构安全性仿真研究 * 李 臣 1 周 炜 1 司景萍 2 韩 璐 2 （1交通部公路科学研究院，北京 100088）（2内蒙古工业大学，呼和浩特 010051） The simulation study on coach superstructure safety based on roll-over LI Chen1，ZHOU Wei1，SI Jing-ping2，HAN Lu2 （1Research Institute of Highway Ministry of Communication，Beijing 100088，China） （2 Inner Mongolia University of Technology，Huhhot 010051，China） 文章编号：1001-3997（2009）07-0216-03 【摘 要】侧翻是客车道路交通事故的主要形态之一，车顶塌陷、解体等侵入性变形能够造成严重的 人员伤亡。利用有限元仿真的方法研究客车侧翻的上部结构安全性，对影响因素进行分析，并提出改进意 见。研究的结果对客车的设计、生产以及安全性评价具有指导作用。 【关键词】客车；侧翻；上部结构安全；有限元仿真 【Abstract】Roll-over is one of the main traffic accident forms for coach，invasive deformation such as superstructure disassembly or sink is likely to cause severe passengers casualty. Researching roll-over us－ ing FE simulation，analyzing influence factor of coach superstructure safety and proposing improvable opinion，which are of guiding effect for coach designing，manufacture and security estimate. Key words：Coach；Roll-over；Superstructure safety；FE simulation ����������������������������������������������������� � � � � � � � � � � � � � � ������������������������������������������������������ � � � � � � � � � � � � � � � 中图分类号：TH16，U46，TP391.9 文献标识码：A ＊来稿日期：2008-10-12 ＊基金项目：交通部西部交通建设科技资助项目（200731822343） 1引言 计算机模拟仿真试验可以在客车产品设计开发过程中减少 试制和实车试验次数，且费用较低、重复性好。文章在建立客车有 限元模型的基础上对客车侧翻进行计算机仿真，并从车身结构变 形、碰撞加速度以及能量变化等方面对仿真结果进行了分析，针 对暴露的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 提出了改进意见。 2客车有限元建模及仿真设置 （1）车身附件、备胎、电瓶等用质量单元直接创建在相应的节 点上； （2）前桥、后桥等对整车转动惯量影响较大的部件，用梁单元 创建； （3）轮胎对车身结构强度影响不大，将轮胎设置成刚性材料， 以减少计算机运算时间。 （4）车身骨架等主要变形部件，采用多线段弹塑性材料模型 来定义，通过输入一系列点坐标的方式来定义材料的应力应变曲 线。材料的密度为 7.8×10-9t/mm3，弹性模量 E为 2×105MP，泊松比 NU为 0.3，屈服极限 SIGY为 207MP。 建立好的客车有限元模型在求解之前需要设置如下参数： 2.1初始速度 客车侧翻示意图，如图 1所示。 即，KV =10Q/ △P姨 。 式中：KV—调节阀的流量系数；Q—调节阀流量，m3/h；△P—调节 阀前后压差，KPa。 对 DN40-DN80调节阀数值模拟的结果，如表 1所示。由表 1 可知：KV值误差并不大，表明模拟结果是可靠的。 表 1 DN40- DN80调节阀数值模拟 7结论 调节阀流量系数的模拟值和理论值吻合较好，表明 CFD可 以应用于调节阀的流场分析。并且得到了调节阀内部详细的流动 情况：速度场分布、压力场分布、流线走向、漩涡及二次流等，为调 节阀流道结构的优化提供了理论依据。同时，对于其它类型阀门 流场的模拟有较大的参考价值。 参考文献 1付祥钊，龙天渝，苏亚欣等.计算流体力学［M］.重庆：重庆大学出版社， 2007 2韩占忠，王敬，兰小平. Fluent流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北 京理工大学出版社，2004 3袁新明，毛根海，张土乔.阀门流道流场的数值模拟及阻力特性研究［J］.水 力发电报，1999（4）：60～66 4明赐东.调节阀应用 1000问［M］.北京：化学工业出版社，2006 口径 （mm） KV 平均值 相对误差 40 50 65 80 24.58305 41.5787 68.13665 97.9485 1.6678% 3.94675% 8.1534% 2.0515% 理论 KV 25 40 63 100 压差△P （KPa） 流量 Q （m3/h） KV 模拟值 68.95569 103.4064 20.409525 24.99423 24.587 24.5791 67.29914 100.9246 34.09693 41.78624 41.563 41.5944 67.992 186.899 56.17035 93.17317 68.12 68.1533 68.8828 103.3149 81.31929 99.52678 97.98 97.917 △△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△△ Machinery Design ＆ Manufacture 机械设计与制造 第 8期 2009年 8月216 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮 Gateway 高亮