CN112287615B - 一种复杂结构弹簧阀非定常流场多块结构网格划分方法 - Google Patents

一种复杂结构弹簧阀非定常流场多块结构网格划分方法 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种复杂结构弹簧阀非定常流场多块结构网格划分方法，包括如下步骤：从弹簧止回阀设计模型中提取流场域模型；将上、下两部分三维流域模型简化的二维流域分割为运动与非运动的子流域；计算第一层网格高度，对各二维的子流域进行结构网格划分；将上、下部分二维结构化网格生成三维结构化网格，同时生成中间部分流域三维非结构网格；将弹簧阀上、中、下三部分三维流场网格进行整合，得到阀组整体流场网格。本发明可为弹簧阀动态流场数值模拟提供符合模型实际运动规律、便于动网格设置的网格，流域中运动与静止的子区域互不影响，而且分块结构网格易于生成加密的运动边界层网格，数值模拟的准确性有较大提升。

Description

一种复杂结构弹簧阀非定常流场多块结构网格划分方法
技术领域
本发明涉及的是一种流体机械技术，具体地说是非定常流场动态数值模拟方法。
背景技术
阀门作为管路***中的重要控制部件，可用来调节管路中介质的流量、压力，或用来切断、打开过流介质通路。其中，止回阀的主要功能就是切断介质的回流。弹簧止回阀在管路***当中起着重要作用，其切断回流及调节流量分配的作用对于管路***的平稳运行十分重要。弹簧止回阀是根据管路***的工作压力自动启闭的一种阀门，一般安装于封闭管路***中，用以保护***安全。
对于弹簧止回阀动态流场特性的研究主要基于计算流体动力学(ComputationalFluid Dynamics CFD)方法。CFD方法是指利用计算机采用数值方法对流体力学控制方程进行离散和求解，从而达到预测流场规律特性的目的，是21世纪流体力学的重要分支。而进行CFD计算的第一步就是进行前处理，生成合适的流场网格，一套合理的网格不仅可以减少CFD试算的成本，还可以提高计算的稳定性和准确性。当前国内外主流的网格生成方法，主要分为结构网格、非结构网格和混合网格三种。其中混合网格较好的结合了结构网格与非结构网格的优势，既有结构网格准确模拟边界层流动的优势，又有非结构网格对复杂结构适应性好和易生成的优势。而针对复杂研究对象的流域，不能简单的使用单一结构网格对其进行覆盖，应将其划分为多块结构网格。多块结构网格既保证了结构网格的规整与符合人对几何结构的自然感知，又融合了非结构网格对复杂结构较强的适应性。
而在需对移动边界的流场进行数值模拟时，就需涉及动网格技术在CFD计算中的应用。在广泛使用的商业CFD求解器ANSYS Fluent当中动网格更新方法主要有：弹簧光顺法、网格重构法以及动态叠层法。而弹簧光顺法应用最为广泛，其原理可简述为，将所有网格视为一个弹簧***，每一根网格线视为一根弹簧，在给定边界条件约束下弹簧平衡状态即当前状态，通过求解力的平衡来更新网格位置。
目前的研究大多更偏向于新型动网格更新方式的理论研究，或是偏向于动网格技术在各种工程领域的应用的研究；而对于在前处理中生成适用于动网格技术的流场网格的研究较少，尤其对于多块结构网格划分方法的研究更为少见。传统的网格划分方法一般在同一计算域中采用单一形式的网格，对于复杂结构多采用三角形或四面体网格，同时忽略了对近壁面处边界层网格的处理，往往存在网格数量较大、局部网格质量差、动网格设置较困难的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供可为弹簧阀动态流场数值模拟提供符合模型实际运动规律、便于动网格设置的网格的一种复杂结构弹簧阀非定常流场多块结构网格划分方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明一种复杂结构弹簧阀非定常流场多块结构网格划分方法，其特征是：
(1)从弹簧止回阀设计模型中提取流场域模型；
(2)将上、下两部分三维流域模型简化为二维模型，并将二维流域分割为运动与非运动的子流域；
(3)利用边界层厚度公式计算第一层网格高度，对各二维的子流域进行结构网格划分，并对近壁面处边界层区域网格进行加密处理，在各二维子流域网格间建立interface交界面；
(4)将上、下部分二维结构化网格通过旋转扫掠法生成三维结构化网格，同时生成中间部分流域三维非结构网格；
(5)将弹簧阀上、中、下三部分三维流场网格进行整合，并在各部分网格间建立interface交界面，得到阀组整体流场网格。
本发明还可以包括：
1、步骤(1)从弹簧止回阀设计模型中提取流场域模型的步骤具体为：对弹簧止回阀整体的实体结构进行简化，利用布尔减法运算，得到CFD计算需要的弹簧阀流场域，将弹簧阀整体流域三维模型分为上、中、下三部分，这一步骤是基于弹簧阀在开启、关闭过程中的运动状态来确定的，弹簧止回阀流场域中间部分为非对称结构，上、下部分为轴对称结构。
2、步骤(2)将上、下两部分三维流域模型简化为二维模型，并将二维流域分割为运动与非运动的子流域的具体步骤为：将弹簧阀上、下部分流域三维模型简化为二维，由旋转变换得来的结构，二维简化模型为三维模型铅锤方向截面的一半；对于由拉伸得来的结构，二维简化模型为三维模型的端面形状，将上、下弹簧阀二维流域分割为运动与非运动子流域，对于子流域的分割，遵循符合实际运动规律和各个运动非运动子流域不相互影响的原则。
3、步骤(3)利用边界层厚度公式计算第一层网格高度，对各二维的子流域进行结构网格划分，并对近壁面处边界层区域网格进行加密处理，在各二维子流域网格间建立interface交界面具体步骤为：对上、下部分各个二维子流域进行结构网格划分，根据由公式
Figure GDA0003627358150000031
Rex＝ρu∞x/μ所求得的第一层网格高度，对上、下部分各个二维子流域的边界层网格进行加密处理，δx为边界层厚度，x为管内径，Rex为雷诺数，ρ为流体密度，u∞为远离壁面处的稳定流速，μ为常温条件下水的动力粘性系数；使用生成的流场网格进行CFD计算，然后在后处理中根据壁面Y+值参数，判断该套网格的边界层处理是否符合所选取的湍流模型的要求，若符合要求则可进行后续的数值模拟工作，若不符合则要返回到步骤(3)起始处对边界层网格进行重新处理，在上、下部分各个二维子流域网格间建立interface交界面，使各个子流域之间互相流通，保证相邻子区域面共享、重合，实现区块对接。
本发明的优势在于：本发明的突出优点与创新点在于，通过本发明的方法划分弹簧止回阀网格时，工作量与常规的结构网格划分相比较小，而且网格质量较传统方法更高，划分出的网格数量也较传统方法更少。采用多块结构网格划分方法，保证了流场网格的边界层局部加密，又不失对复杂流域结构的适应性。采用了混合网格划分方法，将阀分割为上、下部分(对称结构)和中间部分(非对称结构)，较为简单的对称结构采用精度高的结构化网格，结构复杂的非对称部分采用混合网格，混合网格较好的结合了结构网格与非结构网格的优势，既有结构网格模拟边界层流动的优势，又有非结构网格对复杂结构适应性强和容易生成的优势。通过弹簧阀设计参数控制第一层网格高度，合理加密近壁面处边界层网格。采用扫掠法生成三维网格，使得网格划分过程更为简洁、可控，便于调节边界层网格的尺寸，实现了二维三维网格的有机结合。将弹簧阀止回流域中运动与静止的子区域分割处理，使二者互不影响；在仿真过程中，由于网格区域合理划分，流域运动与实际运动相符。
与现有的技术相比，通过本发明的方法划分弹簧阀多块结构网格，多块结构网格容易生成加密的边界层网格，边界层网格的尺寸可根据仿真计算选用的湍流模型进行调节，最终得到的网格壁面值等参数符合计算所使用湍流模型，进而提升仿真计算的稳定性和准确性，减少反复CFD试算的时间成本，增加计算效率。划分出的网格数量较少，将整套阀组网格数控制在了280万左右，节约了计算资源，并提高了计算效率。对于弹簧阀内复杂流域结构可以化繁为简，进行分块处理，动网格设置较为简单的优点。由于动静子区域互不影响，在模拟弹簧阀开启、关闭过程中，动网格更新时不会出现负体积网格，导致更新失败；数值模拟中运动与实际中运动相符合，能更好预测弹簧阀内非定常流场的规律特性。此外，在利用本发明方法划分弹簧止回阀流场网格过程中，可以得到与三维网格相对应的二维网格，可在进行三维非定常流场数值模拟之前先进行二维的验证性计算，这样便于在验证性计算中发现计算网格存在的问题，对网格划分进行修改，大大地减小了人的工作量与计算机的计算量。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是传统方法划分网格的示意图；
图3是本发明的上部二维运动非运动子流域示意图；
图4是本发明的上部二维网格示意图；
图5是本发明的整体三维网格示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-5，本发明提出的分块结构网格划分方法，适用于商业CFD求解器ANSYSFluent中的三种动网格更新方法，将流域中静止区域与运动区域分开，对复杂结构的流域具有较强适应性，同时能够保证对边界层流动的较好的处理，从而达到仿真计算准确性与高效性的结合。本发明提出的方法，采用了扫掠法的划分方式，扫掠法是一种2.5D的结构网格划分方法，即通过对2D网格的旋转、拉伸生成3D网格，其具有可操控性强、便于边界层网格加密、生成的网格正交性较好的特点。本发明方法主要使用Hypermesh与ICEM CFD这两款通用的流场前处理软件来实现。ANSYS Fluent中使用动网格技术时，对计算网格的要求为相同运动区域内的网格全部为六面体或四面体网格，这就对边界层网格的处理带来了一定的困难。Hypermesh拥有强大的四面体网格生成能力，当采用Hypermesh划分四面体网格，则其边界层部分会产生三棱柱(五面体)网格，这显然不符合求解器的要求；若不对边界层部分网格进行加密处理，近壁区域的网格很难满足湍流模型的Y+要求。同时，ICEM生成四边形、六面体更便捷，对于边界层网格的处理有着强大的优势，所以本发明综合两个前处理软件的优势实现网格的合理划分。
由于流体具有粘性，而在离近壁面处的边界层内速度梯度和压力梯度均很大，各个物理量在近壁面处也会有剧烈的变化。而根据相似准则，对于一维的x向流动，边界层厚度δx与x处的雷诺数Rex有关。本文的研究对象弹簧止回阀处于湍流流动状态，δx与Rex之间的关系如下公式：
Figure GDA0003627358150000051
公式一中，雷诺数Rex由如下公式定义：
Rex＝ρu∞x/μ (二)
本模型的弹簧止回阀内流动属于圆管内流动问题，x为管内径，ρ为流体密度，u∞为远离壁面处的稳定流速，μ为常温条件下水的动力粘性系数。
下面详细说明本发明的实施例，请注意下文中的实施例是示范性的，说明其的目的在于更好的解释本发明的方法，而不是对本发明的方法进行限制。
步骤一、从弹簧止回阀设计模型中提取流场域模型，并将弹簧止回阀整体流域分为上中下三部分，其中中间部分为非对称结构，而上下部分为轴对称结构。
在三维建模软件Creo中，对弹簧止回阀整体的实体结构进行简化，去掉对CFD计算影响较小的倒角等结构。利用布尔减法运算，得到CFD计算需要的弹簧阀流场域。将弹簧阀整体流域三维模型分为上、中、下三部，这一步骤是基于弹簧阀在开启、关闭过程中的运动状态来确定的。弹簧止回阀流场域中间部分为非对称结构，而上下部分为轴对称结构，又由于对弹簧阀内部流动特性的研究主要关注阀的上半部中的复杂结构(阀杆、阀芯)附近的流动特性，因此将弹簧阀分为上中下三部有利于更好地分离运动、非运动区域，便于网格的划分过程以及动网格的设置过程。
步骤二、将上、下两部分三维流域模型简化为二维模型，并将二维流域分割为若干运动与非运动的子流域。
将弹簧阀上、下部分流域三维模型简化为二维，本实施例是由旋转变换得来的结构，二维简化模型应为三维模型铅锤方向截面的一半；而对于由拉伸得来的结构，二维简化模型应为三维模型的端面形状。将上、下弹簧阀二维流域分割为若干运动与非运动子流域，这也是本发明方法当中最重要最具有创新性的一步。对于子流域的分割，要遵循符合实际运动规律和各个运动非运动子流域不相互影响的原则，而且在保证流域结构简单和流域符合实际运动规律的情况下，力求分割的次数要少。运动非运动子流域的划分是个矛盾的过程，一方面要尽量减少子流域，另一方面要求子流域的结构要简单。
这一步骤在Hypermesh软件当中进行，下面结合图3进行详细说明。图3是弹簧阀上部二维运动非运动子流域结构，在与之对应的实体结构中，a-b-c-d-e-f-g-h线右侧为运动区域，所以在对应的流域结构中，子流域1、3、5不运动，子流域2、4、6运动。这一步在实际切割中自由度较大，理论上有不止一种切割方案，但是本发明提供了一种切割准则，可合理、简洁、高效的进行切割。该原则可简述为，沿着铅锤方向(本例中运动方向为铅锤方向)对运动与非运动区域进行切割，图4中的a-b、c-d、e-f、g-h均为沿着铅锤方向的切割处理；而水平方向上则根据结构原有边界进行切割即可。
步骤三、利用边界层厚度公式计算第一层网格高度，对各二维的子流域进行多块结构网格划分，并对近壁面处边界层区域网格进行加密处理，在各二维子流域网格间建立interface交界面。
对上、下部分各个二维子流域在ICEM CFD软件中进行多块结构网格划分。ICEMCFD在划分结构化网格上，较市面上其他商业流场前处理软件有着较大优势，划分出的结构化网格规整且可调控性好。划分结果如图4所示。根据由公式一、二所求得的第一层网格高度，对上、下部分各个二维子流域的边界层网格进行加密处理，这一步依然在ICEM CFD软件中进行，通过调节Edge上的节点即可，体现了其可调控性好的特点。根据边界条件、湍流模型调节边界层网格尺寸，实际上是一个反馈调节的过程。在实际网格划分与数值模拟过程中，首先要根据实际问题要求边界条件，应用公式一、二对第一层网格高度进行理论值的计算，并应用计算得到的理论值先行划分网格。之后经过以上步骤操作后，使用生成的流场网格进行CFD计算，然后在后处理中根据壁面Y+值参数，判断该套网格的边界层处理是否符合所选取的湍流模型的要求。若符合要求则可进行后续的数值模拟工作，若不符合则要返回到步骤三起始处对边界层网格进行重新处理。在上、下部分各个二维子流域网格间建立interface交界面，使各个子流域之间可以互相流通，保证相邻子区域面共享、重合，实现了区块对接，进而可以进行后续的计算。
步骤四、将上、下部分二维多块结构化网格通过旋转扫掠法生成三维多块结构化网格，同时生成中间部分流域三维非结构网格。
将上、下部分二维多块结构网格通过旋转扫掠生成三维多块结构网格。在旋转扫掠过程中，要注意旋转每圈所生成的网格数量的选取控制。每圈网格数量过少会导致流场网格长宽比过大，不利于后续CFD计算，而每圈网格数量过多则会导致数值模拟的计算量激增。由于在本实施例对弹簧止回阀开启、关闭过程非定常流场特性的研究中，主要关注阀芯部分的特性，阀芯周围的流域结构(即上部流域的结构)也较为复杂，所以本实施例对上、下两部分流域进行了多块结构化网格的划分。而中间部分由于不是重点研究部分且结构非对称，所以对中间部分流场网格采取了非结构化网格划分的处理。这样能够减少一定的工作量，也体现了混合网格法的优势。
步骤五、将弹簧阀上、中、下三部分三维流场网格进行整合，并在各部分网格间建立interface交界面，得到阀组整体流场网格。
将弹簧阀上、中、下三部分三维流场网格进行整合，并在各部分网格间建立interface交界面，得到阀组整体的流场网格，以便进行后续的数值模拟研究。划分结果如图5所示。

Claims (3)

1.一种复杂结构弹簧阀非定常流场多块结构网格划分方法，其特征是：
(1)从弹簧止回阀设计模型中提取流场域模型；
(2)将上、下两部分三维流域模型简化为二维模型，并将二维流域分割为运动与非运动的子流域；
(3)利用边界层厚度公式计算第一层网格高度，对各二维的子流域进行结构网格划分，并对近壁面处边界层区域网格进行加密处理，在各二维子流域网格间建立interface交界面；
(4)将上、下部分二维结构化网格通过旋转扫掠法生成三维结构化网格，同时生成中间部分流域三维非结构网格；
(5)将弹簧阀上、中、下三部分三维流场网格进行整合，并在各部分网格间建立interface交界面，得到阀组整体流场网格；
步骤(3)利用边界层厚度公式计算第一层网格高度，对各二维的子流域进行结构网格划分，并对近壁面处边界层区域网格进行加密处理，在各二维子流域网格间建立interface交界面具体步骤为：对上、下部分各个二维子流域进行结构网格划分，根据由公式
Figure FDA0003627358140000011
Rex＝ρu∞x/μ所求得的第一层网格高度，对上、下部分各个二维子流域的边界层网格进行加密处理，δx为边界层厚度，x为管内径，Rex为雷诺数，ρ为流体密度，u∞为远离壁面处的稳定流速，μ为常温条件下水的动力粘性系数；使用生成的流场网格进行CFD计算，然后在后处理中根据壁面Y+值参数，判断该套网格的边界层处理是否符合所选取的湍流模型的要求，若符合要求则可进行后续的数值模拟工作，若不符合则要返回到步骤(3)起始处对边界层网格进行重新处理，在上、下部分各个二维子流域网格间建立interface交界面，使各个子流域之间互相流通，保证相邻子区域面共享、重合，实现区块对接。
2.根据权利要求1所述的一种复杂结构弹簧阀非定常流场多块结构网格划分方法，其特征是：步骤(1)从弹簧止回阀设计模型中提取流场域模型的步骤具体为：对弹簧止回阀整体的实体结构进行简化，利用布尔减法运算，得到CFD计算需要的弹簧阀流场域，将弹簧阀整体流域三维模型分为上、中、下三部分，这一步骤是基于弹簧阀在开启、关闭过程中的运动状态来确定的，弹簧止回阀流场域中间部分为非对称结构，上、下部分为轴对称结构。
3.根据权利要求1所述的一种复杂结构弹簧阀非定常流场多块结构网格划分方法，其特征是：步骤(2)将上、下两部分三维流域模型简化为二维模型，并将二维流域分割为运动与非运动的子流域的具体步骤为：将弹簧阀上、下部分流域三维模型简化为二维，由旋转变换得来的结构，二维简化模型为三维模型铅锤方向截面的一半；对于由拉伸得来的结构，二维简化模型为三维模型的端面形状，将上、下弹簧阀二维流域分割为运动与非运动子流域，对于子流域的分割，遵循符合实际运动规律和各个运动非运动子流域不相互影响的原则。
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