ANSYS教学算例集FL阀门动态运动仿真分析.docx

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ANSYS教学算例集FL阀门动态运动仿真分析

关键字：

算例来源：

ANSYSFluentTutorial

1.摘要

止回阀通常用于控制管路系统的单向流动，他们通常被用来作为缓冲压力装置，当压力超过一定水平时，允许流体离开该区域。

通常阀体被连接到一个弹簧装置上，弹簧将球体推至阀座以关闭流动。

本算例使用ANSYSFluent19.0软件，对一球阀装置进行仿真，文档内包含详细的网格导入、模型选择、材料物性、边界条件、求解参数、后处理的设置。

通过UDF和动网格功能实现球阀开闭过程的仿真计算。

2.案例描述

本算例为一二维轴对称阀门几何，流体从左边进口以一定流量进入，从右边以恒定压力流出，驱动球体运动。

在本算例中，球阀瞬态运动由弹簧力、重力和液压力共同作用形成，本例中阀门在关闭时并非完全关闭。

关闭时，球体和阀座之间任然存在一层网格拓扑。

3.操作步骤

3.1.创建工作目录并启动Fluent

在硬盘上创建英文名称的文件夹（例如Valve），将网格文件valve.msh，待编译C文件valve.c拷贝至该目录下。

启动Fluent19.0，在FluentLauncher中，Dimension选择2D，DisplayOptions中勾选DisplayMeshAfterReading和WorkbenchColorScheme，ProcessingOptions选择Serial，设置使用单核计算（用户可以根据现有的硬件资源和License授权酌情选择合适的并行数），更改WorkingDirectory路径至该网格文件目录下，点击OK启动Fluent19.0。

3.2.导入网格文件

菜单中点击【File】>【Read】>【Mesh…】，选取网格文件valve.msh，点击OK导入网格。

此时，图形界面中可以查看导入的网格。

3.3.General一般设置

在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【General】，进行网格相关的操作以及选择求解器。

3.3.1.网格检查

树中点击【Setup】>【General】>【Mesh】>【Check】，检查网格最小体积是否大于0。

3.3.2.调整转速和长度单位

树中点击【Setup】>【General】>【Units】，在【SetUnits】界面下，选择Quantities为length，选定右侧Units单位为mm（即以“毫米”单位显示和设置长度）。

3.3.3.完整流场区域显示

菜单栏中选择【Viewing】>【Views…】，在MirrorPlanes下点击DefinePlane…，设置PlaneEquation下X，Y，Z为0,1,0，点击Add，点击OK确认。

回到Views窗口选择MirrorPlanes下y=0，点击Apply。

以y=0为对称面显示完整区域。

（需注意的是，该操作仅为显示结果，实际计算域依旧是半流域）

3.3.4.求解器设置

树中勾选【Setup】>【General】>【Solver】，在2DSpace下选择Axisymmetric，其余设置为默认。

3.4.Models模型设置

在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【Models】，进行物理模型设置。

3.4.1.湍流模型设置

树中【Setup】>【Models】>【Viscous】，鼠标左键双击Viscous，Model中选择k-epsilon，k-epsilonModel中选择Standard，Near-WallTreatment中选择EnhancedWallTreatment，点击OK完成设置。

3.5.Materials材料设置

3.5.1.材料属性定义

在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【Materials】，进行材料物性设置。

在Materials的TaskPage中选中Fluid下的air，点击Create/Edit…，在弹出的Create/EditMaterials窗口中，设置Density（kg/m3）为ideal-gas，其余为默认设置，点击Change/Create确认设置。

3.6.CellZoneConditions设置

在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【CellZoneConditions】，进行体网格区域条件的设置。

3.6.1.检查流域设置

在CellZoneConditions的TaskPage中选中fluid-inlet，fluid-move点击【Edit…】，在弹出的Fluid窗口中，设置均为默认值。

点击OK关闭对话框。

3.6.2.操作工况设置确认

在CellZoneConditions的TaskPage中点击OperatingConditions…，确认设置OperatingPressure（pascal）为101325。

点击OK退出OperatingConditions设置对话框。

3.7.BoundaryConditions设置

在最左侧的树中，鼠标左键双击【Setup】>【BoundaryConditions】，进行边界条件的设置。

3.7.1.进口边界条件设置

在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠标左键单击选中inlet，选择Type下拉菜单为mass-flow-inlet，弹出Mass-FlowInlet窗口，选择Momentum选项卡中设置MassFlowRate（kg/s）为0.0116。

设置DirectionSpecificationMethod为NormaltoBoundary。

在Turbulence选项下的SpecificationMethod为IntensityandHydraulicDiameter，TurbulenceIntensity设置为5%，TurbulentLengthScale设置为20mm。

点击OK确认设置。

3.7.2.出口边界条件设置

在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠标左键单击选中outlet，确认其Type是pressure-outlet，如果不是，从Type的下拉菜单中切换选择。

点击【Edit…】，弹出PressureOutlet窗口。

到Momentum选项卡中设置BackflowDirectionSpecificationMethod为FromNeighboringCell。

在Turbulence选项下的SpecificationMethod为IntensityandHydraulicDiameter，TurbulenceIntensity设置为5%，TurbulentLengthScale设置为50mm。

点击OK确认设置。

3.7.3.轴线边界设置

在BoundaryConditions的TaskPage中，鼠标左键单击选中axis-inlet，axis-move设置其Type为axis。

点击OK确认设置调整。

3.8.SolutionMethods求解方法设置（稳态求解）

在最左侧的树中，鼠标左键双击【Solution】>【Methods】，进行求解方法的设置。

设置的Scheme为Coupled。

在SpatialDiscretization栏下，调整VolumeFraction为SecondOrderUpwind，保持其他设置为默认。

3.9.SolutionControls松弛因子设置查看

设置保持默认。

3.10.Monitors监视设置

3.10.1.残差监视设置

树中【Solution】>【Monitors】>【Residual】，鼠标左键双击，确保Plot选项被勾选。

3.11.Initialization初始化

树中【Solution】>【Initialization】，鼠标左键双击Initialization，在TaskPage中确认InitializationMethods选择为HybridInitialization，点击MoreSettings，在弹出的窗口中设置NumberofIterations为20，点击OK确认并退出设置。

回到TaskPage中，点击Initialize按钮进行初始化。

保存名为valve_init.cas.gz的文件。

3.12.RunCalculation运行计算

树中【Solution】>【RunCalculation】，鼠标左键双击RunCalculation，在NumberofIterations输入150。

点击Calculate开始运行计算。

运行计算开始后，可以在视图窗口中看到残差曲线随迭代步数的变化。

计算进行了132步迭代后弹出Information窗口显示计算已经完成。

点击OK完成计算。

在菜单栏中选择【File】>【Write…】>【Case&Data…】，输入名为valve_init.cas.gz保存文件。

3.13.瞬态求解

3.13.1.瞬态求解器设置

菜单栏中选择【SettingUpPhysics】>【Time】>【Transient】

3.13.2.动网格设置

3.13.2.1.UDF编译

菜单栏中选择【User-Defined】>【User-Defined】>【Functions】>【Complied…】，打开CompiledUDFs窗口。

在SourceFiles中点击Add…按钮，选择valve.c文件，点击OK确认。

保持LibraryName为默认，点击Build按钮进行编译。

若编译成功，在Console中会有成功编译的提示。

当成功编译后点击面板中的Load按钮，将编译完的文件加载进Fluent中。

同样，若成功加载，可以在Console中看到加载成功的信息。

3.13.2.2.将模型与UDF函数库挂钩

菜单栏中选择【User-Defined】>【User-Defined】>【FunctionHooks…】，设置ReadData栏中右边编辑Edit…，在弹出窗口中选择AvailableReadDataFunctions为reader:

:

libudf，点击Add按钮添加，点击OK确认设置。

回到User-DefinedFunctionHooks窗口，设置WriteData栏中右边编辑Edit…，在弹出窗口中选择AvailableReadDataFunctions为writer:

:

libudf，点击Add按钮添加，点击OK确认设置。

在User-DefinedFunctionHooks窗口点击OK确认设置。

3.13.2.3.激活动网格选项

树中【Setup】>【DynamicMesh】，双击DynamicMesh。

在TaskPage中勾选DynamicMesh。

勾选MeshMethods下的Layering，点击Settings…按钮。

在弹出的MeshMethodSettings中Layering标签栏下选择Options为RatioBased，默认设置SplitFactor为0.4，CollapseFactor为0.2。

3.13.2.4.定义运动区域及运动边界

在DynamicMeshZones下点击Create/Edit…，进入DynamicMeshZones窗口进行设置。

1.在ZoneNames下拉菜单中选择fluid-move，确保Type下设置为RigidBody，Motio