FloEFD.Pro V9.1 第一章 球阀设计.doc

1第一章：第一阶段 球阀设计第一阶段教程首先包括了水流经一个球阀装置以及随后的一些设计改变。这个教程的目的是展现如何方便快速的使用FloEFD.Pro进行流体流动仿真和快捷的进行分析设计变量。对于想要确定设计变化所产生影响的工程师而言，FloEFD.Pro这两大优点正是他们所需要的。打开模型1. 复制 First Steps - Ball Valve 文件夹到你的工作目录，此外由于 FloEFD.Pro 在运行时会对其输入的数据进行存储，所以必须确保文件处于非只读状态。运行 FloEFD.Pro。2. 点击 File，Open。在File Open 对话框，浏览 First Steps - Ball Valve 文件夹，找到 ball_valve.asm assembly 文件，点击Open (或双击此文件)。或，将ball_valve.asm文件拖动到Pro/ENGINEER窗口的空白处。这是一个球阀，旋转把手可以开启或关闭阀门。其旋转的角度控制开启阀门的开启角度。3. 通过点击特性管理设计树中的特性显示 lids （Lid 和 Lid）。我们用 FloEFD.Pro 对这个模型进行仿真时不做任何的改动。只需要使用 LID 来封闭内部空间。在这个例子中 LID 被设置成半透明的状态，以便我们可以清楚的看到阀门内部的状况。创建FloEFD.Pro 项目1. 点击 Flow Analysis，Project，Wizard。2. 如果已经在向导状态，直接选择Create new，以便创建一个新的配置并且命名为 Project 1。FloEFD.Pro 将创建一个新的例子并且在一个新的文件夹中存储所有的数据。点击 Next。3. 选择系统单位 (这个项目使用 SI)。请时刻谨记在完成向导设置之后的任何时候都可以通过点击 Flow Analysis，Units 来改变系统单位。在 FloEFD.Pro 中有几个预先已经定义好的系统单位。你可以在任何时候定义你自己所需要的系统单位并对他们进行相互间的转换。点击 Next。4. 保持默认的 Internal 分析类型。不要包括任何物理特性。我们想要进行一个流经整个结构内部的分析。这一研究我们称之为内部分析。与之相对应，还有一种外部分析，其特征是流体围绕着某个物体。在这一对话框中，你也可以选择忽略掉与流动分析不相关的空腔。以便 FloEFD.Pro 仿真不会耗费内存和 CPU 资源去考虑它们。FloEFD.Pro 不仅仅可以计算流体流动，而且可以计算固体内部的导热，除此之外还可以计算表面之间的辐射状况。当然还可以进行瞬态分析。在分析自然对流问题的时候应该考虑重力效应。另外也可以对旋转的物体进行分析。在这一个教程中我们暂且跳过这些特性，因为我们这个简单的球阀教程还没有涉及到这些特性。点击 Next。5. 在 Fluids 中展开 Liquids 项并且选择 Water作为流体。你也可以双击 Water 或者在树型结构中选择这一项并点击 Add。FloEFD.Pro可以在一个分析例子中计算多种流体，但不同流体之间必须由壁面进行分隔。只有当流体是同一类型的时候，混和流体的情况才可以进行分析考虑。FloEFD.Pro有一个包含了多种液体，气体和固体的综合性数据库。其中固体可以用于耦合的导热分析。当然你也可以方便的创建你自己的材料。在每一个仿真分析时可以有多达10种的液体和气体同时被选择。FloEFD.Pro也可以对任意流态的流体进行分析计算。纯湍流，纯层流，或者湍流和层流兼有的情况。如果流动完全处于层流，可以忽略湍流模型。FloEFD.Pro 也可以处理低马赫数或者高马赫数的不可压流体。对于这个球阀教程，我们使用一种流体进行流动仿真并且保持默认的流动特性。点击 Next。6. 点击 Next 接受默认的壁面条件。由于我们选择不考虑固体内部的导热情况，所以我们要对接触流体的表面定义一个换热系数。这一步处于设置默认的壁面类型中。保留默认的Adiabatic wall 定义壁面为完全绝热。你也可以对壁面设定粗糙度的值，默认情况下这一值会应用到所有模型壁面。对于一个具体的某个壁面设置粗糙度，你可以定义一个 Real Wall 边界条件。定义粗糙度通过 RZ值来实现。7. 点击 Next 接受默认的初始条件。在这一设置阶段，我们可以改变对于压力，温度和速度的默认设置。与最终仿真计算值越接近的初始值，可以加快仿真计算的时间。由于我们对于这个球阀教程最后的仿真结果不了解，所以我们对初始条件不做修改。8. 接受默认的 Result Resolution。Result Resolution 是对仿真结果精度的设定。它不仅仅控制求解的网格，而且对于求解设定了许多参数，例如：收敛标准。越高的 Result Resolution，会产生越精细的网格，同时产生越严格的收敛标准。因此，Result Resolution 确定了在计算精度和计算时间之间的平衡。当模型中有一些小的几何特征时，输入一个最小间隙尺寸和最小壁面厚度是相当重要的。精确的设置这些值可以确保模型中，细小的几何特征不会被网格所忽略。对于我们这个球阀模型，我们输入流动通道的最小值作为最小缝隙尺寸。点击 Manual specification of the minimum gap size 对话框。输入0.0093 m（最小流动通道大小）。点击 Finish。现在 FloEFD.Pro 利用赋值数据的方式创建了一个新的例子。新的FloEFD.Pro分析属出现在导航面板中。点击 FloEFD.Pro Analysis Tree 按钮并且打开所有图标。我们使用 FloEFD.Pro分析树定义我们的分析，这种定义方式类似我们先前利用模型树定义我们的模型。FloEFD.Pro 是完全自定义; 你可以在 FloEFD.Pro 使用过程中的任何时候选择文件夹的隐藏和显示。当你对一个隐藏的文件夹增加一个相应的类型特征时，则这个隐藏的文件夹将会变为可见。这个文件夹会一直处于显示状态，直到这个类型特征被删除为止。右击 Computational Domain 图标并且选择Hide去隐藏黑色线框。这个计算域图标用于修改求解域的大小和求解域的显示与否。包围模型的线框是求解域的边界。边界条件在系统的流体入口或出口处要求设置压力，质量流，体积流或速度的边界条件。1. 在 FloEFD.Pro分析树中，右击 Boundary Conditions 图标并且选择 Insert Boundary Condition。2. 如图显示选择 LID_1 的 inner 面 (在图形区域或模型树选中LID_1使其红色高亮，之后进行左击，可以在inner 面和outer 面间进行切换，注意一定要选择inner面，否则边界条件无法正确施加)。3. 选择 Flow openings 和 Inlet Mass Flow。4. 在 Settings 按钮下设置 Mass flow rate normal to face 为 0.5 。5. 点击 OK。 新的 Inlet Mass Flow 1项出现在 FloEFD.Pro分析树中。随着刚才做完的定义，我们告诉 FloEFD.Pro在这一开口每秒有 0.5 kg的水流入到阀门中。在这一对话框中，我们也定义了一个旋转的流动，一个不均匀和时间变化的流动特性。在出口处的质量流由于质量守恒而不需要进行定义。因此另一个不同的边界条件需要被定义。在这里出口的压力应该作为出口处的边界条件。6. 如图所示选择 LID_2 的 inner 表面。7. 右击 Boundary Conditions 图标并且选择 Insert Boundary Condition 。8. 选择 Pressure openings 和 Static Pressure。9. 保持 Settings 表格中的设定。10. 点击 OK。 新的 Static Pressure 1 项出现在 FloEFD.Pro 分析树中。随着刚才做完的定义，我们告诉 FloEFD.Pro在这一开口区域流体的静压为多少。在这一对话框我们也可以设置随时间变化的压力特性。定义工程目标1. 右击 FloEFD.Pro分析树 Goals 图标并且选择 Insert Surface Goals。2. 点击 Inlet Mass Flow 1 项，同时选择被应用的表面。3. 在Parameter 表格中在 Static Pressure这一行勾选 Av 框。已经勾选了 Use for Conv 框意味着创建的目标将用于收敛的控制。如果对于一个目标而言 Use for Conv没有被勾选，那它不会影响这个任务终止标准。这个目标可以用于监测某些参数，从而给你一些模型中关于计算进行中的额外信息。当然这不会影响仿真的结果和总的计算时间。4. 点击 OK。新的 SG Av Static Pressure 1项出现在 FloEFD.Pro 分析树中。工程目标是一些用户感兴趣的参数。设定目标实质上是向 FloEFD.Pro传达一种信息，你想得到什么样的分析结果和减少 FloEFD.Pro获取仿真结果时间的一种方法。通过设定一个变量作为项目的目标，你传达给 FloEFD.Pro一些关于变量的信息，告诉它在关注的时间段内这些变量收敛是相当重要的 (选择变量作为目标)并且对于那些未被选择的变量精度可以适当放宽一些。可以对整个求解域设定目标(全局目标)， 在某个选择的体积内 (体积目标)，在一个选择的表面区域 (表面目标)，或者在某个确定点 (点目标)。此外，FloEFD.Pro 可以对某个设定目标计算平均值，最小值和最大值。当然，你也可以通过包含有基本数学函数以现有目标作为变量的方式来设定一个方程目标。这个方程目标可以计算你所感兴趣的参数（例如：压降）并且可在项目中保存这些信息，以便日后的参考。点击 File，Save。求解1. 点击 Flow Analysis， Solve， Run。勾选 Load results 意味着当计算完成之后结果会被自动的载入。2. 点击 Run。在一台普通的PC机上，这一求解的过程应该少于1分钟。监测求解过程这是监测求解对话框。在左面窗口中显示了求解过程的每一阶段的列表。在右面显示了网格的信息和仿真分析时候的一些警告。当出现“A vortex crosses the pressure opening”的警告语句时候，不要感到惊讶。我们会在后面的章节中进行解释。1. 在求解开始并且进行了若干次迭代计算之后。(关注信息窗口中的迭代曲线)，点击 Solver 工具栏上的Suspend 按钮。我们之所以要使用暂停按钮，主要是因为当前我们仿真的例子太过于简单，计算仿真的时间可能相当的短，使你没有足够的时间进行相应的结果监测。通常情况下，你可以使用监测工具而不必进行暂停。2. 点击 Solver 工具栏上的 Insert Goal Plot 。 Add/Remove Goals 对话框会出现。3. 在Select goals中选择 SG Average Static Pressure 1 并且点击OK。这是目标对话框并且罗列了先前创建的每一个目标。在这里你可以看到每一个目标的当前值和图形，此外也可以看到当前所做的计算占总计算量的百分比。但这一值是估计值，通常情况下会随着时间的推移这一百分比的值都会增加。4. 点击 Solver 工具栏上的Insert Preview 。5. 这是 Preview Settings 对话框。从 Plane name 列表中选择任何平面并且点击 OK ，将会在平面上创建一个结果预览平面。对于这个模型 Plane 2这一平面很适合作为预览的平面。这个预览功能可以在计算运行的时候就观察结果。这有助于确定是否正确的定义了所有的边界条件以及使人直观的看到在求解初期的仿真结果。在仿真运行开始阶段，其结果可能是剧烈变化。但随着迭代计算的进行，变化将趋于平稳且结果将达到一个收敛值。这个仿真结果能以轮廓线，等值面和矢量形式显示。6. 再次按下 Suspend 使求解继续。7. 当求解完成，通过点击 File，Close 来关闭监测。调整模型透明度点击 View， Color and Appearance。在 Appearance Editor 点击加号按钮增加一个新的外表。在 Advanced 处将透明度调整为 80。点击 Apply 并且 Close。 对于结果分析的第一步是产生一个透明的几何体，称之为透明体。通过这种方式你可以方便的看到与几何体相关的切面云图。切面云图1. 右击 Cut Plots 图标并且选择 Insert。2. 指定一个平面，选择 ASM_TOP 切平面。 在 Pro/ENGINEER 模型树中， 点击 Settings， Tree Filters， 确定这一Features 被选中， 点击 OK 且在模型树中选择 ASM_TOP 项。3. 点击 OK。这是你应该看到的切平面图。一个切平面图显示了这一个平面上的所有结果。这个结果可以是以轮廓线，等值线或者矢量的形式显示，当然也可以是上述任意几种显示方式的组合 (例如：轮廓线加矢量)。如果你想访问这个平面图的其他设置，你可以双点颜色标尺或者右点击 Results 图标选择View Settings。在这些观察设置对话框中你可以对每一个云图类型进行全局改变。其中一些选项是: 改变显示的参数和颜色标尺中使用的颜色数目。学习这些选项功能的方法就是实践。4. 对一个矢量平面图改变轮廓切面。右点 Cut Plot 1 图标并且选择 Edit Definition 。5. 在云图定义中清除 Contours 选择 Vectors。 6. 点击 OK。这是你应该看到切面图。在观察设置对话框中可以在矢量页中放大矢量的大小。同样可以在切平面对话框的设置页中控制矢量的空间。注意：在圆球的锐利角处流动必须得到引导。我们的设计改变就是聚焦在这些特征上。表面云图右点 Cut Plot 1 图标并选择 Hide。1. 右击 Surface Plots 图标并选择 Insert。2. 勾选 Use all faces 。3. 勾选 Contours 。4. 点击 OK 会得到如下表面云图。对于表面云图和切面云图有相类似的基础选项，可以进行任意的不同云图的结合使用。等值图右击 Surface Plot 1 图标并且选择 Hide。1. 右击 Isosurfaces 图标并且选择 Show ，这时将出现这个云图。FloEFD.Pro 对某一具体变量设定了一个常值从而创建了一个3维的等值面图。通过 Isosurfaces下的View Settings 对话框可以改变这个变量和设定的值。2. 右击 Results 图标且选择 View Settings 进入对话框。3. 选择 Isosurfaces 页。4. 检查对话框中的选项。尝试做两个改变，首先点击 Use from contours 从而使等值面以相应压力值的颜色显示，这个类似于轮廓图。5. 其次在滑动条的另外一个位置进行点击， 注意此时出现另一个滑动条。这个滑动条可以通过按住并且拖拉出对话框来使其消失。6. 点击 OK。你应该看到一个与下图类似的轮廓图。等值图是精确的确定3D区域一个有用的方式，在图上显示了确定的压力，速度和其他参数。流动迹线图右点 Isosurfaces 图标并且选择 Hide 。1. 右击 Flow Trajectories 图标并且选择 insert。2. 在分析树点击Static Pressure1 项，选择出口LID_2 盖的 inner 表面。3. 设置 Number of trajectories 为16。4. 点击 OK ，迹线图将如下图所示。使用流动迹线图你可以显示流线。流动迹线图提供了一个良好的3D流动图形。你可以通过输出数据到Excel中来观察变量是如何随着迹线方向改变的。对于这个迹线图我们选择了出口盖作为平面 (任何的平面都可以选择)因此每一个迹线会穿过所选择的面。通过在 View Settings 对话框中进行设置这个迹线也可以被赋予颜色。注意这个迹线是通过整个出口盖子的。这就是为什么在计算时候出现警告的原因。FloEFD.Pro会自动警告我们不合适的分析，这就是我们不一定非要是CFD专家的原因。当流动进入和流出同一个开口，仿真结果的精度会变得很差。为了防止这种情况，通常是对模型增加一个元件 (一个延伸到求解域的管子)这样漩涡就不会发生在开口的地方。XY 图右点 Flow Trajectories 1 图标并选择 Hide。我们想显示压力和速度沿着阀的变化。我们已经创建了一个包含若干条线的草图。这个草图的创建不必事先就做，你可以在分析完成之后再创建草图线。观察一下模型树中的草图1。1. 右击 XY Plots 图标并选择 Insert。2. 选择 Velocity and Pressure 作为物理Parameters。从模型树中选择 Sketch1。保持所有的选项都是默认值。3. 点击 OK。 微软的 Excel 将会同时打开速度和压力两个图表。其中一个图表如下所示。你可以在不同的页中切换，从而观察每一个图表。XY 图可以让你看到沿着草图线的结果，这个数据被直接输入到Excel中。表面参数Surface Parameters 是用于确定模型任何与流体接触面上压力，应力，热流和其他许多参数的一个功能。对于这类分析，从阀门的入口到出口的平均压降值可能是非常有价值的。1. 右击 Surface Parameters 图标并选择 Insert 。2. 在 FloEFD.Pro 分析树中， 点击Inlet Mass Flow1 项，其目的是选择LID_1 盖入口的 inner 表面。3. 点击 Evaluate 。4. 选择 Local 页。在入口处的平均静压值显示为 128478 Pa。 我们已经知道在出口处的静压值是 101325 Pa 因为先前我们已经定义了出口处的边界条件。所以通过这个阀门的平均静压降大约为 27000 Pa。5. 关闭 Surface Parameters 对话框。分析Pro/ENGINEER球形部分中一个设计变量这一章节的目的是显示如何方便快捷的分析一个设计变量。这个变量可以是不同的几何外形，新的特征，装置的一个新的零件！这是 FloEFD.Pro软件的核心功能并且这可以使设计工程师快速方便的确定哪一个设计是具有良好的效果，哪一个设计不会产生积极的作用。对于这个例子，我们看到两个锐利的边缘将影响通过阀门的压降。如果这方面没有作用的提升，那这就没有必要花费额外的制造费用。复制项目1. 点击 Flow Analysis， Project， Clone Project。2. 点击 Create new。3. 在 Configuration name 键入 PROJECT2。4. 点击 OK。现在我们已经选择的 FloEFD.Pro项目被增加到已经改变了几何状况的项目中。所有我们输入的数据都被复制，所以我们没有必要定义我们的出口和目标。边界调经安可以被改变，删除或增加。在家族树中创建一个新的实例1. 在模型树中右击BALL图标，选择Open。新窗口将打开BALL零件。2. 点击Tools, Family Table。3. 在Family Table对话框中点击Insert a new instance at the selected row 。4. 在BALL_INST中修改新参数名称，改为BALL_FILLETED。5. 点击Open。显示新案例BALL_FILLETED的窗口将出现。改变模型几何参数1. 选择锐利的边缘并且对他们做R0.9 mm倒圆角。2. 点击File, Save，保存包含修改后几何模型的新实例BALL零件。3. 点击File, Close Window，关闭显示BALL_FILLETED实例的窗口。4. 原参数的BALL零件窗口仍处于打开状态。点击Tools, Family Table，确定带有圆边缘的新参数已经添加入BALL零件的家族树中。5. 点击File，Close Window，关闭BALL零件窗口。在组件中替换实例1. 在仍然打开的PROJECT2窗口中点击File， Open并选择In Session 选项。2. 打开ball_valve.asm组件并选择The generic 案例。3. 点击Tools, Family Table。4. 在Family Table对话框点击Add/delete the table columns 。5. 在Family Table Items对话框页内的Add Item中选择Component，然后在模型树中选择BAL