使用MSC XFlow软件进行球阀瞬态过程流场分析.docx
使用MSC XFlow软件进行球阀瞬态过程流场分析（一）主题球冏动态流场分析用途使用MSC XFlow软件进行球阀瞬态过程流场分析（1）软件信息XFlow内容介绍 使用MSC XFlow进行阀门流场仿真 阀门仿真的几何导入 阀门仿真的前处理j结构动力学设置QA20120801阀门是工业领域广泛使用的一种基本流体机械元件，其流体力学特性是非常重要的产品性能之一。用户需 要全面了解阀门在固定开度、开关过程的流体响应。计算流体力学（CFD）是一种广泛采用的分析阀门流 体特性的工程软件。MSC XFlow软件是此中非常强劲的一款阀门流场分析软件，由于其采用的基于LBM方 法的无网格技术，可以很方便地处理连通域发生变化过程中的流场特性，因此可以处理阀门开启关闭过程 和瞬态流场响应过程；此外，由于MSC XFlow内置的流体与结构动力学耦合模块，MSC XFlow可以分析阀 门内部结构随流体作用力与阀门弹力部件作用力合力作用下的动作过程。下面以一个简单的球阀为例，向大家展示一下MSC XFlow软件在进行阀门部件瞬态过程流场分析的基本流 程。实际球阀中，阀芯后有一个弹簧，初始时在没有流体压力的情况下，弹簧会顶着球阀阀芯在入口处， 使阀门完全关闭，当阀门通入流体时，前端压力会不断增加，直到其压力大于弹簧压力后将推动球芯向后 运动，但此过程中弹簧会缩短，弹力增大，之后会由于惯性作用，球芯运动到一个位置后弹簧力大于球芯 前端压力，于是球芯便会再向回运动，如此往复运动。依据入口压力不同，球芯会呈现不同的动作过程， 或达到平衡状态，或呈现周期性往复运动过程，在此模型中，不考虑阀芯后弹簧结构，弹簧的作用力以一 个外力函数给出。图1球阀结构图首先需要导入阀门几何。阀门共包含两个结构部件，一个是外面的阀体（命名为Valve），另一个是里面的 阀芯，在这里就是这个球体（命名为Sphere），此外为了设置方便，将入口与出口边界单独作为一个结构 导入（分别命名为Inflow和Outflow）oFile Geometry Simulation data Pcst-PcGcessing Options Views HelfProject Tree口1 x®®l®®EnvironmentGeometryPost-Pra( 4 监Shape: ValveShape: InflowShape: OutflowShape; Sphere图2导入几何对于导入的几何，阀体部分不需要特别的边界条件，系统隐含为物面边界条件。Project TreeEnviFonnieat Geometry Simufalion Fost-Pro(z ® Shape: Vatve* Behaviour; FixedHPosFtion: ( 0 , D , 0 > mOrientationi ( 0 . 180 , 0 ) degT Surface: surface-0. Boundary condFttons; Wall 号Wall model: Amomatrc 期Wall roughne££：。图3阀体边界设置对于入口，设置一个动态的边界条件，为流量边界条件，初始流量边界为每秒钟0.2公斤（0.2 kg/s）以此 流量输入1.5秒后，停止输送流体。这样的边界条件在MSC XFlow中可以通过使用条件函数实现，具体为 如下表达式：Q=if（t<1.5, 0.2,0）EnvironmentMaterials| Geometry SifruWon PW-Pf 4 匕"Ifb Shape: VaK/e/ p. Shape: Inflow:母 Behaviour: FixedvPosition: ( 0 d 0 , 0 ) mOnentation: (0,0:Boundary condithns: Mass_L Mass flow law: if(t<L5,0,2P0)l kq-s-1图5入口边界条件图4动态边界条件设置对于出口边界我们设置为直接开口边界，也就是自然大气边界。Environment Mat&rials GeometrySrmdafiDn3ost-Pro( 4 k®函®LEShape: Vah/eShape: Inflo-wShape: OutflowBehaviour Fixed "Position; ( O , 0 , 0 mOrientation: (0,0,0) degBoundary corditiors: Gayge pressure outlet 回Gauge pressure taw: 0 Pa图6出口边界条件下面是此模型中最重要的一个几何的设置，也就是阀芯的条件设置。在此首先需要将球芯的动作特性设置 为：Rigid body dynamics (刚体动力学)特性。要进行刚体动力学计算就需要设置球芯的质量、惯性张量、 摩擦系数等。具体数据如图7所示。对于弹簧外力作用的设置采用如下公式：F=250*(px-(-0.014)其中px为阀芯的局部座标原点在全局座标系的位移图，一0.014为球芯的初始坐标，上式表示弹簧事先具 有250*0.014 N的初始弹力。Project TreeE xFmh'Dnmer;-旬七 e Geometry "=.硝-一1* 匪黑 Stiape: Valve 段 Shape: Inflow _ Shape： Outflow-BetiaviCbur: Fixed"Position: i 0 , 0 , 0 ) mOrientaEion: ( fl .0,0) degT Boundsry conditions: ；au。匕 pressure ouileiGauge pressure law: 0 Pa / I- Shape: Sphere- Behaviour: Rigidibocfy dynamics |LJ 一 Initial conditionsPoslEion: ( -0.01-4 , 0 . 0)rrVelocity： ( 0 . Q P 0 ) rn*sJ, Orientation: ( 0 , 0 . -0 )degAngular vetocity: f 0 . 0 . < ) fad*s''-IMechanical properties-Inertia tensor: User definedkg*mJkg-m1tcg2Mass 1 kg boc 0,0255356 lyy D.D255421 Izz 0,0255352Interaction properties Restitution Coefficient 0.5 Static frictiori coeffident： 0.5 Dynamic friction coeffidenr "5 -ConstraintsC on strsEFied pos itfo n X: OffOnOnOn On On- Boundary conditions: '*11 Wall model: A'.icomar-c Wall roughness: 0JIExternal forceX:-签。气pc口口 11) N Constrained position Y: Constrained positionZ: Constrained ar>gufa( X Consurained angular Y: Constrained anguiarZ:图7球芯物性设置设置完如上几个边界条件和物理条件后，再进行一定的计算参数设置，就可以对于这个阀门结构的动态流 体与结构动力学耦合过程进行求解了。下期详细介绍计算过程设置和结果的后处理。
