【導(dǎo)讀】特性直接影響節(jié)流閥的性能。本文結(jié)合計算流體動力學(xué)CFD(ComputationalFluid. Dynamics)軟件FLUENT對節(jié)流閥的內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析計算。運(yùn)用FLUENT前處理軟件GAMBIT了網(wǎng)格的劃分。軟件中對兩種模型的流場進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。同時對流場進(jìn)行模擬，找出影響閥芯壓力和速度分布的因素。在對主閥口進(jìn)行模。主閥閥芯性狀和開口寬度。對阻尼小孔進(jìn)行數(shù)值模擬時，重點(diǎn)考慮節(jié)流閥開口處。兩端的壓力差，找到兩端壓力差小的阻尼孔直徑數(shù)值。

　　

【正文】 程的數(shù)值離散化方法，如有限差分法、有限元法、有限體積法等。這里的計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標(biāo)的建立，邊界條件的處理等。這些內(nèi)容是 CFD 的核心。 (3) 進(jìn)行計算 這部分工作包括計算網(wǎng)格劃分、初始條件和邊界條件的輸入和控制參數(shù)的設(shè)定等。這是整個工作中花時間最多的部分。 (4) 顯示計算結(jié)果 計算結(jié)果一般通過圖表等方式顯示，這對檢查和判斷分析質(zhì)量和結(jié)果有重要參考意義。 以上 這些步驟構(gòu)成了 CFD 數(shù)值模擬的全過程。 Fluent 軟件簡介 過去 CFD 只是研究和發(fā)展部門的專家使用的工具，現(xiàn)在 CFD 技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)計部門。本課題選用 CFD 軟件 Fluent 進(jìn)行流場的仿真分析。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 Fluent 軟件根據(jù)用戶的需求，針對各種流動的物理問題的特點(diǎn)，用戶可采用不同的離散格式和求解算法，可使用單、雙精度計算，使計算速度、穩(wěn)定性和精度等各方面達(dá)到最佳。其設(shè)計是基于 CFD 軟件群的概念， Fluent 將不同領(lǐng)域的計算軟件組合起來，軟件之間可以方便地進(jìn)行數(shù)值交換，并采用 統(tǒng)一的前、后處理工具，這就省卻了科研工作者在計算方法、編程、前后處理等方面投入的重復(fù)、低效的勞動，將主要精力和智慧用于物理問題本身的探索上。 Fluent 程序的結(jié)構(gòu) Fluent 程序軟件包主要由以下幾個部分組成： (1) Gambit — 用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成。 (2) Fluent — 進(jìn)行模擬計算的求解器。 (3) PrePDF — 用于模擬燃燒過程。 (4) TGrid — 用于從現(xiàn)有的邊界網(wǎng)格生成體網(wǎng)格。 (5) Fliters — 轉(zhuǎn) 換其他程序生成的網(wǎng)格。 通常使用 Gambit 專用前處理器進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。對二維流動，可以生成三角形和矩形網(wǎng)格 。對于三維流動，則可生成四面體、六面體、三角柱和金字塔等網(wǎng)格。結(jié)合具體計算，還可生成混合網(wǎng)格，其自適應(yīng)功能，有三角形和四面體的等角適應(yīng)網(wǎng)格、懸掛節(jié)點(diǎn)適應(yīng)網(wǎng)格功能，能對網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分或粗化，或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑動網(wǎng)格。對于給定的精度，自適應(yīng)細(xì)化方法使網(wǎng)格細(xì)化方法變得很簡單，并且減少了計算量，可以根據(jù)自己的需要，比如幾何模型的特征或流場解析結(jié)果局部細(xì)化網(wǎng)格。 Fluent 求解器具有 良好的人機(jī)界面，單位的換算有極大的靈活性，采用有限體積法作為求解 NS 方程組的方法，有“分離”和“ 耦合 ”兩種求解器，有多種紊流模型可以選擇，如 Spalart Allmaras 粘渦模型 ， 包括 standard k—— ε模型， realizable k—— ε 模型和 R\ G k—— ε 模型 ， 兩種 k—— ω 模型，雷諾應(yīng)力模型，大渦模型等等。對每一種物理問題的流動才李點(diǎn)有適合它的數(shù)值解法，用戶可對顯式或隱式差分格式進(jìn)行選擇，使計算也度、不急定性和精度等方而達(dá)到最佳。 在后處理方面， Fluent 自身的后處理功能就 非常強(qiáng)大。生成的結(jié)果可以是流場壓力等變量的輪廓圖和速度等的矢量圖以及流動中的流線圖等。求解的結(jié)果可以方便地顯示在不同的截面上，以便于分析，并且可以生成文字性的報告。Fluent 提供了許多計算和報告表面和邊界積分值的工具。這些工具可以讓用戶安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 得到通過邊界的物質(zhì)質(zhì)量流率和熱量傳遞速率，在邊界處的作用力以及動量值，還可以得到在一個面上或者在一個體中的面積、積分、流率、平均值和質(zhì)量平均值 (其它童 )。另外，用戶還可以得到幾何形狀和求解數(shù)據(jù)的直方圖，設(shè)置無因次系數(shù)的參考值以及計算投影表面積。用戶也能打印或者存儲一個包括當(dāng) 前 case中的模型設(shè)定、邊界條件和求解設(shè)定等情況的摘要報告。 Fluent 具有很大的靈活性與能力，可以使用它的 UDF 功能滿足特殊要求。 Fluent 程序可以求解分析的問題 Fluent 軟件應(yīng)用非常廣泛，主要范圍如下： ⑴ 可壓與不可壓流動問題。 ⑵ 穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流動。 ⑶ 無黏流、層流和紊流問題。 ⑷ 牛頓及非牛頓流體。 ⑸ 對流換熱問題。 ⑹ 導(dǎo)熱和對流熱耦合問題。 ⑺ 輻射換熱。 ⑻ 兩相流問題。 ⑼ 復(fù)雜表面下的自由面流動。 ⑽ 慣性坐標(biāo)和非慣性坐標(biāo)系下的流動問題模擬。 ⑾ 一維風(fēng)扇、熱交換器性能計算。 單向節(jié)流閥的模擬仿真基礎(chǔ)知識 模擬仿真主要數(shù)值方法 計算流體動力學(xué)，就是在電子計算機(jī)上求解流體動力學(xué)基本方程的學(xué)科，通過數(shù)值求解各種簡化的或 非簡化的流體動力學(xué)基本方程，獲取各種條件下流場的數(shù)據(jù)。在計算流體力學(xué)中，研究流體運(yùn)動規(guī)律的手段是采用數(shù)值計算方法，求解描述流體運(yùn)動基本規(guī)律的數(shù)學(xué)方程，以數(shù)值模擬的結(jié)果為依據(jù)研究流體運(yùn)動的物理特征。數(shù)值計算方法是計算流體力學(xué)的基礎(chǔ)。目前廣泛使用的計算方法是 :有限差分法，有限體積法、有限元法和譜方法。 ⑴ 有限體積法： 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 有限體積法由 McDbnald 在 1971 年首次用于求解二維歐拉方程， 1972 年被Patankar 等用于 SIMPLE 算法，計算恒定不可壓流。但當(dāng)時的有限體積法采 用交錯矩形網(wǎng)格，通量計算也相當(dāng)于中心格式。 1977 年 Jamson 開始應(yīng)用于氣流計算。此后，隨著非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的普及和通量算法的改進(jìn)，在有限體積法的實(shí)現(xiàn)上有很大的豐富和提高，在計算流體力學(xué)中廣泛應(yīng)用，十分成功。 有限體積法直接在物理空間對守恒律的積分公式進(jìn)行離散，可保證離散方程質(zhì)量、動量和能量的守恒，適用于任意形狀非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對給定網(wǎng)格點(diǎn)，其控制體的形狀和位置以及控制面上的通量計算方法有很多種。有限體積法從積分區(qū)域的選取方法看來，屬于加權(quán)余量法中的子區(qū)域法 。從未知解的近似方法看來，有限體積法屬于采用局部近 似的離散方法。簡言之，有限體積法的基本方法就是子區(qū)域法加離散。 根據(jù)定義變量的位置不同，有限體積法一股采用兩種方法 : ① 單元中心型有限體積法。此時變量僅與一個單元有關(guān)，流動變量是單元內(nèi)的平均值，可視為單元內(nèi)某點(diǎn)的值 (如單元中心點(diǎn) )。網(wǎng)格單元與控制體重合。 ② 單 .元頂點(diǎn)型有限體積法。此時變量定義在網(wǎng)格點(diǎn)上即單元頂點(diǎn)上?？刂企w定義存在多種選擇。 有限體積法的基本思想易于理解，首先將計算區(qū)域劃分為許多區(qū)域，即控制單元。將待解 微分方程 (控制方程 )對每一個控制體積積分，從而得出一組離散方程。其中的未知數(shù)就足網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量。為了求得控制體積的積分，與有限單元法相似，假設(shè)因變量在單元內(nèi)的分布規(guī)律，據(jù)此將因變量在單元內(nèi)的分布描述為單元節(jié)點(diǎn)上因變量數(shù)值的函數(shù)，即插值函數(shù)。將其代入微分方程可得到離散的代數(shù)方程，其中的未知數(shù)就是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。有限體積法也只是需要因變量的節(jié)點(diǎn)值，不考慮因變量在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化，利用插值函數(shù)只是用來計算控制體積的積分，得到離散方程，這點(diǎn)與有限差分法相似。與差分法的區(qū)別是有限差分法直接通過對離散點(diǎn)處的導(dǎo) 數(shù)項(xiàng)進(jìn)行差分近似來離散。所以有限差分法，只有在網(wǎng)格極其細(xì)密時，離散方程才滿足積分守恒。有限體積法得到的離散方程中，因變量的積分守恒對任意一組控制體積都能得到滿足，對整個計算區(qū)域，自然滿足，即使在粗網(wǎng)格的情況下，也是積分守恒的。 有限體積法建立離散方程的步驟為 ： ① 將守恒型的控制方程在任一控制容積及時間間隔內(nèi)對空間與時間積分。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 ② 選定未知函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)對時間及空間的局部分布曲線 (稱為型線或插值方法 )。 ③ 對各個項(xiàng)按選 定的型線進(jìn)行積分，并整理成關(guān)于點(diǎn)上未知值的代數(shù)方程。 ⑵ 有限差分法： 有限差分法通常采用截斷的 Taylor 級數(shù)來近似微分方程，是導(dǎo)數(shù)定義的直接應(yīng)用。有限元法采用問題的變分原理或加權(quán)余數(shù)法來控制每一元素的近似解與真實(shí)解的誤差，其網(wǎng)格單元是非結(jié)構(gòu)形式的。有限體積法是對方程的積分形式進(jìn)行離散，它既可以像有限元法那樣方便地應(yīng)用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，又可以像有限差分法那樣方便地確定離散的流場。 有限差分法數(shù)值求解問題時，首先要求在求解域內(nèi)，以差分網(wǎng)格或差分節(jié)點(diǎn)將連續(xù)的求解域化為有限的離散點(diǎn)集。第 二步是將求解的每個微商項(xiàng)都用相應(yīng)的差商代替，寫出微分方程在每一個網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處對應(yīng)的差分方程，將微分方程式化為代數(shù)方程式。在此要選擇一個合適的差分格式對微分差分化。采用有限差分法求解微分方程所得的數(shù)值解是定解域內(nèi)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的數(shù)值離散解。因此，確定離散網(wǎng)格后，要求在定解域內(nèi)，差分方程所給出的數(shù)值離散解能以一定精度逼近微分方程的解。所構(gòu)成的差分格式必須是相容的和穩(wěn)定的。最后一步就是求解代數(shù)方程的問題。有高斯消去法、追趕法、迭代法等。有限差分法的基本思想是以差商代替微分方程，對微分方程問題離散化，用包含有限多個未知量 的差分方程去近似代替微分方程，將微分方程問題轉(zhuǎn)化為代數(shù)問題，最后求得微分方程問題離散點(diǎn)的數(shù)值解。它是一種直接將微分問題變?yōu)榇鷶?shù)問題的近似數(shù)值解法。有限差分法由于發(fā)展的比較早，其基本理論已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)完善，由一整套定性分析理論，易于構(gòu)造新的差分格式并能設(shè)計出所需要的差分格式。有限差分法一般適用于比較規(guī)則的計算區(qū)域，對于具有復(fù)雜邊界的問題，處理起來比較困難，并且它用的是“點(diǎn)”近似，只考慮差分網(wǎng)格上的函數(shù)值，而不管結(jié)點(diǎn)附近函數(shù)的變化。 ⑶ 有限元法： 有限元法的基礎(chǔ)是極值原理 和劃分插值，它吸收了有限差分法中離散處理的內(nèi)核，又采用了變分計算中選擇逼近函數(shù)并對區(qū)域進(jìn)行積分的合理方法，是這兩類方法相互結(jié)合的結(jié)果。有限元法是將一個連續(xù)的求解域任意分成適當(dāng)形狀的許多微小單元，并于各小單元分片構(gòu)造差值函數(shù)，然后根據(jù)極值原理 (變分或加權(quán)余量法 )，將問題的控制方程轉(zhuǎn)化為所有單元上的有限元方程，把總體的極值作為各單元的極值之和，即將局部單元總體合成，形成嵌入了指定邊界條件的代數(shù)安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 方程組，求解該方程組就得到各節(jié)點(diǎn)上待求的函數(shù)值。它是采用分塊逼近的思想而形成的一種數(shù)值計算方法。分塊逼近是有限元的核心， 它包含兩方面的內(nèi)容 :分塊就是將求解區(qū)域剖分成若干子區(qū)域，即單元。逼近是在各單元中選擇合適的近似函數(shù)去代替求解函數(shù)。因此解題關(guān)鍵是如何選擇合適的單元形狀及插值函數(shù)。有限元法求解問題時，將需要求解問題的區(qū)域進(jìn)行離散化，即將求解城劃分為許多幾何形狀簡單規(guī)則的單元子域。參考直接解法的逼近方式，在單元內(nèi)用一個比較簡單的解析函數(shù)來逼近微分方程的解。這個函數(shù)叫做單元近似函數(shù)或叫做插值函數(shù)，就是在單元內(nèi)用一個選定的基函數(shù)和節(jié)點(diǎn)參數(shù)的線性組合來代替問題的解，其中節(jié)點(diǎn)參數(shù)值是待定的。這樣，每個單元只要有適當(dāng)數(shù)量的節(jié)點(diǎn)參數(shù)值，就 可滿足對插值函數(shù)的光滑性和精度的要求。然后在滿足微分方程和相應(yīng)的邊界條件下，對全部子域進(jìn)行積分，總體合成，并建立有限元方程組。這就把微分方程的定解問題化為求解代數(shù)方程組的問題，求解這一代數(shù)方程組便可求得節(jié)點(diǎn)參數(shù)值。這些節(jié)點(diǎn)參數(shù)值就是節(jié)點(diǎn)上的解，進(jìn)而山近似函數(shù)表達(dá)式可求得各單元任意點(diǎn)的近似解。這樣，邊界條件一般不進(jìn)入單元的有限元特征式，使得每個單元的有限元方程式或稱特征式都具有相同的形式，便于計算機(jī)進(jìn)行處理，易于編程。 ⑷ 譜方法： 譜方法是一高精度的計算方法。當(dāng)微分方程的解足夠 光滑時，譜方法給出的近似解將以很高的精度逼近微分方程的準(zhǔn)確解，且收斂速度快。另一個特點(diǎn)是該方法所得的近似解是對整體計算域的近似，而不是對局域的近似。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 模型的仿真 單向節(jié)流閥主流道模型的網(wǎng)格劃分及流道分析 下圖為單向節(jié)流閥主流道模型的網(wǎng)格劃分： 圖 41 單向節(jié)流閥內(nèi)部主流道模型網(wǎng)格劃分 網(wǎng)格劃分采用單向節(jié)流閥的簡化模型，假設(shè)它是不可壓縮流體，即粘性牛頓流體。不考慮液壓油重力的影響，流體在閥內(nèi)無熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。把網(wǎng)格劃分系數(shù)設(shè)置為 ，在用 Gambit 進(jìn)行網(wǎng)格的劃分的時候，模型本身的節(jié)點(diǎn)的個數(shù)比較多，類型也比較復(fù)雜，導(dǎo)致模型中各個面的節(jié)點(diǎn)的類型不相同，使得在對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分時標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格是不能生成的，所用的 Elements 是 Tet/Hybrid,類型是 Tet/Hybrid。將網(wǎng)格劃分好了之后，設(shè)置流道的入流口和出流口。并將該網(wǎng)格劃分文件用 Mesh 格式進(jìn)行保存，以便接下來的流體分析。 開啟 Fluent 軟件，將上一步保存的 Mesh 文件導(dǎo)入并設(shè)置一定的邊界條件等，單向節(jié)流閥的進(jìn)、出油口直徑均為 10mm，設(shè)置其進(jìn)流口壓力為 2Mpa,出流口壓力為 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，將運(yùn)算迭代次數(shù)設(shè)置為 200 次，進(jìn)行迭代分析運(yùn)算。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 導(dǎo)入 Fluent 軟件中進(jìn)行分析，其整體壓力的沿程分布如下圖 42 示： 圖 42 Fluent 軟件分析內(nèi)部流道壓力沿程分布圖 從上圖 42 可以看出，進(jìn)流口位置顏色呈現(xiàn)橙色，其壓力值在 +06Pa到 +06Pa 之間，表示壓力變化不大。但在出口流道處，顏色由黃色向綠色