?1.引言

閥門作為管路系統(tǒng)中的重要控制元件，主要用來(lái)接通、切斷管路中介質(zhì)的流動(dòng)，由于閥門本身內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，在閥門的啟閉過(guò)程中極易在下游產(chǎn)生漩渦、二次流、空化等復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)，這些復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)的產(chǎn)生和發(fā)展最終會(huì)導(dǎo)致閥門的運(yùn)行故障，因此閥門的設(shè)計(jì)研發(fā)在整個(gè)過(guò)程中起到了至關(guān)重要的作用。

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傳統(tǒng)的閥門設(shè)計(jì)研發(fā)基本靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)支撐，缺少實(shí)際的數(shù)據(jù)依據(jù)，只是在原有的產(chǎn)品上修修改改，無(wú)法觀察其內(nèi)部流動(dòng)過(guò)程，設(shè)計(jì)出來(lái)的閥門也無(wú)法事先驗(yàn)證其可靠性，壓力試驗(yàn)、流量試驗(yàn)、流阻試驗(yàn)等耗費(fèi)企業(yè)大量的試驗(yàn)成本和時(shí)間，而使用虛擬仿真模擬即可完美解決這些問題，本文即采用SOLIDWORKS?flow simulation?工具來(lái)對(duì)閥門進(jìn)行流體仿真分析，得出一些壓力、速度、CV值、流動(dòng)軌跡等相應(yīng)參數(shù)。以下是閥門在SOLIDWORKS?flow simulation中的流體分析的全過(guò)程。
基于閥門行業(yè)傳統(tǒng)的流體仿真流程如下：
模型導(dǎo)入→??項(xiàng)目創(chuàng)建→邊界條件→目標(biāo)設(shè)定→網(wǎng)格劃分→運(yùn)行計(jì)算→結(jié)果后處理

2.模型導(dǎo)入

首先將模擬的三維模型在SOLIDWORKS中打開，對(duì)于閥門內(nèi)部分析，則需要在分析前將開口區(qū)域變成封閉的空間，這里采用Flow?simulation自帶創(chuàng)建封蓋的命令，快速創(chuàng)建封蓋，選擇進(jìn)出口的圓面，即可將計(jì)算區(qū)域變?yōu)榉忾]的空間。如圖2.1

3.項(xiàng)目創(chuàng)建

在每一個(gè)流體分析開始前，都需要在向?qū)е羞M(jìn)行常規(guī)條件的設(shè)置，如常規(guī)單位、分析類型、初始條件等，點(diǎn)擊工具欄中的Flow simulation ,選擇向?qū)?，進(jìn)行新項(xiàng)目創(chuàng)建。

3.1名稱創(chuàng)建

根據(jù)分析模型任意創(chuàng)建項(xiàng)目名稱，方便保存和后續(xù)的查找，如圖3.1.1。

3.2單位系統(tǒng)設(shè)置

Flow simulation?單位系統(tǒng)的設(shè)置一般是默認(rèn)，也可根據(jù)實(shí)際輸入用到的參數(shù)做修改，如溫度、壓力、流量
如圖3.2.1。

3.3分析類型的選擇

SOLIDWORKS Flow simulation?分析類型根據(jù)流動(dòng)介質(zhì)是否有流動(dòng)邊界作選擇，內(nèi)部流動(dòng)分析涉及以固體外表面為邊界的流動(dòng)，如管道、管件內(nèi)等，外部流動(dòng)分析不涉及以固體外表面為邊界，如汽車、飛機(jī)周圍的空氣流動(dòng)，對(duì)閥門分析來(lái)說(shuō)，屬于內(nèi)部分析，如圖3.3.1。

3.4默認(rèn)流體的選擇

根據(jù)實(shí)際流體的介質(zhì)進(jìn)行選擇，SOLIDWORKS?Flow simulation?提供了常見的氣體、液體、及非牛頓流體和可壓縮液體介質(zhì)，也可新建自定義自己的材料，此分析流體介質(zhì)選擇空氣，雙擊即可，如圖3.4.1。

3.5壁面條件

在Flow simulation?壁面條件選項(xiàng)卡上，可以指定默認(rèn)應(yīng)用于所有模型壁面的條件，也可依據(jù)實(shí)際的壁面條件作定義，如壁面溫度、熱換量，此分析默認(rèn)壁面熱條件，如圖3.5.1。

3.6初始條件

初始條件選項(xiàng)卡中，可定義初始的壓力、溫度或速度，此分析中采用默認(rèn)的大氣壓和室溫即可，如下圖3.6.1。

4.邊界條件設(shè)置

Flow simulation?邊界條件中主要設(shè)置進(jìn)出口的實(shí)際流動(dòng)參數(shù)，如進(jìn)出口體積流量、質(zhì)量流量、速度或進(jìn)出口的壓力等參數(shù)，此分析指定進(jìn)出口的壓力。

4.1入口壓力設(shè)定

點(diǎn)擊Flow simulation 軟件壓力開口，選擇靜壓，這里的壓力值輸入的是絕對(duì)壓力，相對(duì)于壓強(qiáng)為0的壓強(qiáng)值，選擇入口表面，壓力輸入2bar，即可完成對(duì)入口壓力工況的設(shè)定，如圖4.1.1。

4.2出口壓力設(shè)定

同理，選擇靜壓，點(diǎn)擊出口表面，輸入壓力值1bar

5.目標(biāo)設(shè)定

目標(biāo)的設(shè)定是定義分析結(jié)果要得到的參數(shù)值，如常用的壓力、速度、流量等，可通過(guò)結(jié)果后處理進(jìn)行查看這些目標(biāo)。

5.1全局目標(biāo)

SOLIDWORKS Flow simulation?全局目標(biāo)是整個(gè)計(jì)算域內(nèi)計(jì)算的物理參數(shù)，里面包含了常規(guī)的壓力、速度、溫度、密度、體積流量等大量參數(shù)供勾選，右擊目標(biāo)，選擇全局目標(biāo)，此分析勾選相應(yīng)的參數(shù)值，靜壓、總壓、速度，如圖5.1.1。

5.2表面目標(biāo)

表面目標(biāo)是對(duì)所選表面進(jìn)行計(jì)算的物理參數(shù)，通常指定進(jìn)出口面的一些流動(dòng)參數(shù)，此分析中要得到體積流量，為計(jì)算閥門CV值提供參數(shù)，選擇入口表面，勾選體積流量，如圖5.2.1。

5.3方程式目標(biāo)

方程式目標(biāo)用于指定由方程（基本數(shù)學(xué)函數(shù)）定義的目標(biāo)，通常是定義全局目標(biāo)中沒有的參數(shù)，需要構(gòu)建方程式來(lái)得到想要的目標(biāo)值

6.網(wǎng)格

在SOLIDWORKS?flow simulation中網(wǎng)格的設(shè)置可采用自動(dòng)或手動(dòng)方式，根據(jù)模型的復(fù)雜程度和構(gòu)造來(lái)選擇，對(duì)于閥門來(lái)說(shuō)，可選擇自動(dòng)方式，自動(dòng)劃分方式比較簡(jiǎn)單，只需要調(diào)節(jié)初始網(wǎng)格的級(jí)別即可，級(jí)別越高，網(wǎng)格越精細(xì)，同時(shí)網(wǎng)格數(shù)量也越多，計(jì)算量越大，此分析選擇4級(jí)，也可根據(jù)分析結(jié)果判斷，后續(xù)進(jìn)一步調(diào)整網(wǎng)格級(jí)別的大小，如圖6.1。

7.運(yùn)行求解

右擊設(shè)計(jì)樹最頂層的閥門，點(diǎn)擊運(yùn)行即可進(jìn)行求解，如圖7.1

8.結(jié)果后處理

8.1壓力切面云圖

SOLIDWORKS Flow simulation?切面圖主要觀察流體計(jì)算域內(nèi)沿某一個(gè)切面的參數(shù)分布圖，如壓力分布、速度分布、溫度分布等，對(duì)于閥門分析來(lái)說(shuō)，常觀察壓力、速度等分布，右擊切面圖插入，選擇相應(yīng)切面，參數(shù)選擇壓力即可觀察沿切面的壓力分布，如圖8.1.1。

8.2速度切面云圖

同上，選擇插入切面圖，參數(shù)選擇速度參數(shù)，即可觀察流體在閥門中的速度分布情況，如圖8.2.1

8.3流動(dòng)軌跡

SOLIDWORKS Flow simulation?流動(dòng)軌跡是用來(lái)觀察流體在流腔內(nèi)流動(dòng)情況，對(duì)于閥門來(lái)說(shuō)，可根據(jù)流跡軌線觀察流動(dòng)分布或判斷流動(dòng)過(guò)程中是不是存在渦流現(xiàn)象，從而判斷內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理性，右擊流動(dòng)跡線，選擇進(jìn)口表面，確定即可生成流動(dòng)軌跡線，如圖8.3.1。

8.4表面云圖

表面圖顯示選定模型面或表面上的參數(shù)分布。如壓力、速度、溫度等參數(shù)，如需要觀察閥門內(nèi)壁上所受的壓力，可選擇閥門內(nèi)壁面，參數(shù)選擇壓力即可觀察內(nèi)壁面上的壓力分析，可通過(guò)壓力分析來(lái)判斷閥門壁厚設(shè)計(jì)合不合理。如圖8.4.1。

8.5目標(biāo)圖

目標(biāo)圖主要顯示定義的各種目標(biāo)結(jié)果值，比如CV值，體積流量等，如圖8.5.1