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用于运动锥形阀芯小间隙二维流场计算的动网格更新方法技术

技术编号:23605207 阅读:42 留言:0更新日期:2020-03-28 06:10
本发明专利技术公开了一种用于运动锥形阀芯小间隙二维流场计算的动网格更新方法,其包括:(1)三维的锥形阀芯前后流道简化为轴对称的二维模型,对二维模型进行结构化网格划分。(2)用FLUENT软件建立锥形阀芯前后流道的流场瞬态计算模型,阀芯在流体力、摩擦力、弹簧弹力和重力的作用下会沿着轴线方向作直线运动。(3)根据动力学理论,建立阀芯的运动方程。(4)在FLUENT软件中进行二维瞬态流场计算,每个时间步均计算作用在阀芯两端的流体力;(5)在流场一个时间步的瞬态计算开始前,在UDF中利用计算得到的作用在阀芯两端的流体力,再根据阀芯的运动方程,计算阀芯在一个时间步的振动位移;(6)根据(5)动力学计算结果,按照给定的方法,计算每个网格节点的移动距离,并更新流体域相关网格节点的坐标值,流体域随之变动。

A dynamic mesh updating method for the calculation of two-dimensional flow field with small clearance in a moving conical spool

【技术实现步骤摘要】
用于运动锥形阀芯小间隙二维流场计算的动网格更新方法
本专利技术属于计算流体动力学
,尤其是涉及一种用于锥形阀芯减压阀流场计算的动网格更新方法。
技术介绍
减压阀利用流体通过狭窄截面时产生的节流效应进行减压,通过阀体内阀芯的开度来调节流体的流量和压力,在能源、化工、机械等领域有广泛的使用。尤其是随着氢能等清洁能源的大规模推广,为了提升单位体积下的储能密度,气体的储存压力也越来越高,对减压阀的性能也提出了更为严格的要求。锥形阀芯是常用的减压阀阀芯形式,阀芯固定在弹簧上,当高压气体加载到阀芯上时,阀芯在气体压力的推动下离开阀体壁面,并形成狭窄的间隙,高压气体通过间隙时产生节流效应,导致压力降低,温度增加。由于阀芯同时受到气体压力和弹簧力的作用,根据牛顿力学定律,阀芯会发生振动,进而导致气体流量和压力的波动,这在实际的服役环境中会影响能源的利用效率,甚至导致泄露、爆炸等更为严重的后果。对减压阀内部流场的研究有助于探究减压阀的减压规律,控制阀芯的振动和流场状态,因此具有重要意义。计算流体力学方法是研究减压阀内部的流场的重要手段。一般采用有限体积法将流体域划分成很多的离散单元,称之为网格。网格可分为结构化网格和非结构化网格,采用结构化网格可以节省计算资源,提高计算效率和精度。由于阀芯的运动是影响流场状态的关键因素,因此在计算时必须要考虑在内,而阀芯运动时意味着流场的边界发生了改变,原有的结构化网格就必须进行更新。本方法尤其适用于高压差小流量的减压阀,这类减压阀在稳态下,锥形阀芯与阀体之间的间隙很小,约为其1%,在进行瞬态计算时,FLUENT现有的动网格更新方法(即光顺法、动态层法和网格重构法)无法获得较好的网格质量,甚至产生负体积网格,导致计算终止。为了能够借助FLUENT软件进行此类减压阀内部流场计算,急需开发一种新的适用于锥形阀芯减压阀内部流场计算的动网格更新方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种用于减压阀内部流场计算的动网格更新方法,在阀芯产生较大位移时仍能保持良好的网格质量,使得流场计算能够顺利进行。本专利技术的技术方案如下:一种用于运动锥形阀芯小间隙二维流场计算的动网格更新方法,所述锥形阀芯位于减压阀中,该方法包括:S1:将待模拟的三维锥形阀芯前后流道简化为轴对称的二维模型,并对二维模型进行结构化网格划分;S2:用FLUENT软件建立锥形阀芯前后流道的流场瞬态计算模型,阀芯在流体力、摩擦力、弹簧弹力和重力的作用下会沿着轴线方向作直线运动;S3:根据动力学理论,建立阀芯的运动方程;S4:在FLUENT软件中进行二维瞬态流场计算,计算当前时间步中作用在阀芯两端的流体力;S5:在流场下一时间步的瞬态流场计算开始前,在UDF中利用计算得到的作用在阀芯两端的流体力,再根据阀芯的运动方程,计算阀芯在当前时间步中发生的振动位移;S6:根据S5中的振动位移计算结果,更新阀芯整个流道的流体域中相关网格节点的坐标值,并以更新后的流体域网格为基础进行下一时间步的瞬态流场计算。在上述技术方案基础上,本专利技术的各步骤可以采用以下优选方式实现。优选的,步骤S1中,二维模型的整个流道流体域的网格划分均采用四边形结构化网格,划分步骤为:S11:在二维模型中,将整个流道的流体域划分为入口直管道区、出口直管道区、间隙区、入口过渡区和出口过渡区5个子流体域;其中入口直管道区、出口直管道区、间隙区的子流体域均为矩形,而入口过渡区和出口过渡区的子流体域均为截角三角形;S12:以间隙区子流体域作为基础块,然后将该基础块中与阀芯边界平行的一组对边分别向两个过渡区进行延伸,直至达到两个过渡区的子流体域边界,将每个过渡区分别划分为两个块;S13:然后再以所述对边与每个过渡区流体域边界的两个交点为起点,分别沿垂直于该起点所在的直管道区子流体域边界的方向继续延伸,直至达到直管道区另一侧的子流体域边界,将入口直管道区划分为两个块,而出口直管道区划分为三个块;S14:再将每个过渡区中的三角形块进行Y型2D块切分,然后以切分后新生成的且不位于整个流道的流体域边界上的每个顶点为起点,分别沿垂直于该起点所在的块边界的方向继续延伸,直至达到整个流道的流体域边界,所述块边界不包含Y型2D块切分过程中新产生的三条分割线,完成整个流道的流体域中块的划分;S15:根据整个流道的流体域中划分的所有块,对每个区域进行网格划分,其中间隙区的网格节点进行网格加密处理,形成加密网格,同时两个过渡区和两个直管道区中也对应形成加密网格;间隙区的网格节点在垂直边界线和沿边界线两个方向上均保持等距离分布。优选的,步骤S1中用ICEM软件对二维模型进行结构化网格划分。优选的,步骤S3中,阀芯为刚体,且只有沿着轴线方向的一个运动自由度,阀芯的运动方程包括流体力、摩擦力、重力及弹簧弹力,其中流体力由FLUENT软件计算得到的压力数据进行积分求得。优选的,步骤S4中,利用FLUENT软件计算作用在阀芯两端的流体力,计算结果保存在FLUENT软件的UDF接口中。优选的,步骤S5中,在FLUENT软件的UDF接口中利用S4中计算得到的作用在阀芯两端的流体力,根据S3中建立的阀芯运动方程计算当前时间步阀芯的位移,同时将当前时间步结束时的状态向量保存在另一个数据文件中,作为下次计算的初始状态向量。优选的,其特征在于,步骤S6中,整个流道的流体域中相关网格节点的坐标值更新方法具体为:S61:针对间隙区进行网格移动,网格移动方法为:将区域中距离阀芯最远的网格线上的节点保持不动,并以这条网格线为参考线,以其余网格线上节点到参考线的距离从近到远,依次将各条网格线上的节点记为第1、2、3、…、n层,同一层中的各节点到参考线的距离相等;根据S5中计算得到的阀芯振动位移,对于间隙区中的任一节点,该节点需要移动的位移计算公式为:按照每个节点需要移动的位移,更新各节点的坐标,实现流体域的网格移动;S62:针对两个过渡区贴近锥形阀芯的加密网格,也按照S61所述的网格移动方法计算节点位移,两个过渡区中加密网格之外的其余网格节点不移动;S63:针对出口直管道区中的加密网格,也按照S61所述的网格移动方法计算节点位移;出口直管道区中除加密网格以外的其余网格节点,进行适应性调整。进一步的,所述的S63中,适应性调整方法为:以出口直管道区内具有最大移动距离的一层节点为第n层节点,距离其最近的一层节点为第n-1层节点,依次类推,取第0层为参考线,该参考线上的节点保持不动,第1到n-1层的节点位移根据S61中的位移计算公式计算每个节点需要移动的位移,并更新节点的坐标。优选的,所述的锥形阀芯位于高压差小流量的减压阀中。进一步的,所述减压阀中的压差为70MPa,阀内流量为1g/s,阀芯处的通道间隙为0.01mm。本专利技术的另一目的在于提供一种减压阀内部流场模拟方法,其在模拟过程中可利用前述任一方案所述的动网格更新方法更新本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于运动锥形阀芯小间隙二维流场计算的动网格更新方法,所述锥形阀芯位于减压阀中,其特征在于,包括:/nS1:将待模拟的三维锥形阀芯前后流道简化为轴对称的二维模型,并对二维模型进行结构化网格划分;/nS2:用FLUENT软件建立锥形阀芯前后流道的流场瞬态计算模型,阀芯在流体力、摩擦力、弹簧弹力和重力的作用下会沿着轴线方向作直线运动;/nS3:根据动力学理论,建立阀芯的运动方程;/nS4:在FLUENT软件中进行二维瞬态流场计算,计算当前时间步中作用在阀芯两端的流体力;/nS5:在流场下一时间步的瞬态流场计算开始前,在UDF中利用计算得到的作用在阀芯两端的流体力,再根据阀芯的运动方程,计算阀芯在当前时间步中发生的振动位移;/nS6:根据S5中的振动位移计算结果,按照给定的方法,计算每个网格节点的移动距离,并更新阀芯整个流道的流体域中相关网格节点的坐标值,并以更新后的流体域网格为基础进行下一时间步的瞬态流场计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于运动锥形阀芯小间隙二维流场计算的动网格更新方法,所述锥形阀芯位于减压阀中,其特征在于,包括:
S1:将待模拟的三维锥形阀芯前后流道简化为轴对称的二维模型,并对二维模型进行结构化网格划分;
S2:用FLUENT软件建立锥形阀芯前后流道的流场瞬态计算模型,阀芯在流体力、摩擦力、弹簧弹力和重力的作用下会沿着轴线方向作直线运动;
S3:根据动力学理论,建立阀芯的运动方程;
S4:在FLUENT软件中进行二维瞬态流场计算,计算当前时间步中作用在阀芯两端的流体力;
S5:在流场下一时间步的瞬态流场计算开始前,在UDF中利用计算得到的作用在阀芯两端的流体力,再根据阀芯的运动方程,计算阀芯在当前时间步中发生的振动位移;
S6:根据S5中的振动位移计算结果,按照给定的方法,计算每个网格节点的移动距离,并更新阀芯整个流道的流体域中相关网格节点的坐标值,并以更新后的流体域网格为基础进行下一时间步的瞬态流场计算。


2.根据权利要求1所述的用于运动锥形阀芯小间隙二维流场计算的动网格更新方法,其特征在于,步骤S1中,二维模型的整个流道流体域的网格划分均采用四边形结构化网格,划分步骤为:
S11:在二维模型中,将整个流道的流体域划分为入口直管道区、出口直管道区、间隙区、入口过渡区和出口过渡区5个子流体域;其中入口直管道区、出口直管道区、间隙区的子流体域均为矩形,而入口过渡区和出口过渡区的子流体域均为截角三角形;
S12:以间隙区子流体域作为基础块,然后将该基础块中与阀芯边界平行的一组对边分别向两个过渡区进行延伸,直至达到两个过渡区的子流体域边界,将每个过渡区分别划分为两个块;
S13:然后再以所述对边与每个过渡区流体域边界的两个交点为起点,分别沿垂直于该起点所在的直管道区子流体域边界的方向继续延伸,直至达到直管道区另一侧的子流体域边界,将入口直管道区划分为两个块,而出口直管道区划分为三个块;
S14:再将每个过渡区中的三角形块进行Y型2D块切分,然后以切分后新生成的且不位于整个流道的流体域边界上的每个顶点为起点,分别沿垂直于该起点所在的块边界的方向继续延伸,所述块边界不包含Y型2D块切分过程中新产生的三条分割线,直至达到整个流道的流体域边界,完成整个流道的流体域中块的划分;
S15:根据整个流道的流体域中划分的所有块,对每个区域进行网格划分,其中间隙区的网格节点进行网格加密处理,形成加密网格,同时两个过渡区和两个直管道区中也对应形成加密网格;间隙区的网格节点在垂直边界线和沿边界线两个方向上均保持等距离分布。


3.根据权利要求1所述的用于运动锥形阀芯小间隙二维流场计算的动网格更新方法,其特征在于,步骤S1中用ICEM软件对二维模型进行结构化网格划分。


4.根据权利要求1所述的用于运动锥...

【专利技术属性】
技术研发人员:张志新王春鹏吴价李纯杰王超毛炜炜郑水英赵永志
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:浙江;33

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