第 35 卷第 09 期 2014 年 09 月
煤 矿 机 械
Coal Mine Machinery
Vol.35 N o.09 Sep. 2014
doi:10.13436/j.mkjx.201409025
基于 CFX 动网格技术的大流量开关阀动态仿真
*
王阳阳 1，2，  王  勇
1，2 （1. 煤炭科学研究总院，  北京 100013； 2. 煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室，  北京 100013）
摘  要： 随着综采技术的不断推广和进步，相应各种阀类元器件的流量也迅速升高到了 1 000 L/min 。 对进行相关阀类性能试验的装置提出了更高的要求，基于 STA  系列大流量安全阀台内的组合功能
油缸中的大流量开关装置进行有限元动态仿真，得出其开启过程中的流场，压力场变化，揭示其详 细的开启过程，可以看出在开启瞬间产生较大的压力差，流体通过开口向内迅速流动，速度可达 34.89 m /s ，流体域内压力差可达 0.94 MPa ，同时可以得出密封处间隙及结构对内部流场影响较大。
关键词： CFX ；  动网格；  大流量开关阀；  组合功能油缸 中图分类号：  TH134 文献标志码：  A  文章编号：  1003 － 0794（2014）09 － 0061 － 02
Dynamic Simulation for Large Flux Valve Based on Moving-Mesh
Technology of CFX
WANG Yan g-yan g 1，2， WANG Yon g 1，2
（1. Coal Science Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Exploitation of Coal Resources and State Key Laboratory of
Environm ental P rotection, B eijjing 100013, C hina ）
A b s tract:  During  big  developme nt  and  promotion  of  f ully  mechanize d  coalmining  equipme nt.  The  f lux of  valve  ha s  incre ase d  to  1 000 L/m in. So, highe r  dem a nd  has  bee n  re quire
d. A  large  f lux  va lve  use d  in STA  Large  Flow  Sa f ety -Va lve  Test -E quipm e nt  ha s  bee n  studied  via  dynam ic  sim ulation  in  this  pa per. The  pressur e a nd  ve loc ity  distribution  has  bee n  ca lc ula te d. A  decre as e of  pre ssur e has  ha ppe ne d  at  the  be ginning, a nd  the  wa te r  f lowe d  to  inside  via  the  ope ning  bounda ry. The  veloc ity  has  inc rease d  to  34.89 m/s,  and  the    dif f e re n ce  of  pressur e  was  up  to  0.94  MPa.  At  the  sam e  time,  a  conclusion  tha t  the struc tur e of  sea l  in f lue n ce result  ba dly  ca n  be  prove d.
Key word: CFX; moving-mesh; large flow valve; multi-function hydro-cylinder  0 引言
在阀的设计中，为了保证流量这一核心参数满 足需求，需要对其内部流场变化有一定的了解。  在 低压阀的设计中可以通过 PIV （粒子图像测速法）进 行直观观测，而高压流体问题中，只能通过有限元 仿真来进行研究。  目前国内大部分研究都集中在安 全阀等传统阀门相关方向，而面对新出现的更大流 量开关阀方面，还没有相应的研究。
本文基于商业流体力学计算软件 ANSYS -CFX, 针对 STA  系列大流量安全阀试验台中组合功能油 缸进行动态仿真模拟计算，  揭示随着阀门开启，其 内部流场变化情况。
1 建立模型
大流量开关阀基于组合 功能油缸的 缸底进行 设计，  其集合了短期开启且具备大流通量的特点，
构造如图 1 所示。  通过位于下方的激发孔，可以开 启大流量开关阀，然后高压液体通过周圈密封圈与 活动内缸的间隙，迅速进入下腔 ，推动内缸向上运 动，从而实现液体的大流通量。
图 1  大流量开关阀构造示意图
* 煤炭科工集团科技创新基金资助（2013QN022）
为了便于计算，通过简化 ，可得流体域 模型如 图 2 所示。  上部为固定部分，包括大流通量流体入 口及相关结构，下部为滑移拉伸部分 ，模拟内缸的 向上运动。  本文中选取的模型外缸径为 准288 mm ， 内缸径为 准250 mm ，滑移拉伸部分厚度为 2 mm 。
图 2  流体域模型
2 网格
（1）固定部分网格
在固定部分 ，网格不发生变化，可以设
置为三 角形网格，网格如图 3 所示。  在边界用边界层网格 技术对网格进行加密，如图 4 所示。
图 3    固定部分平面网格及透视网格示意图
图 4    固定部分边界层网格示意图
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V e o c y
V e o c y  P a n e  1
P a n e  1
2.994 e +001    2.239 e+001
2.246 e+001
1.679 e +001    1.497 e +001    1.119 e +001
7.485 e +000    5.597 e +000
0.000 e +000 0.000 e +000 （m ·s ）
（m ·s ）
（a ）2.5 ms
（b ）5 ms
V e o c y  V e o c y  P a n e  1
P a n e  1观赏鱼
1.807 e +000    1.770 e +001
1.356 e +000
1.328 e +001
9.037 e +000 8.852 e +000
4.518 e +000    4.426 e +000 0.000 e +000 0.000 e +000 （m ·s ）
好朋友的歌词
（m ·s ） （c ）7.5 ms
（d ）10 ms
图 6  横截面速度分布图
V e o c y  V e o c y  S e e m n e  1 S e e m n e  1 2.457 e +001    2.243 e +001 1.859 e +001    1.689 e +001 1.261 e +001    1.134 e +001
6.627 e +000
5.795 e +000
6.468 e-001    2.491 e-001 （m ·s ）
（m ·s ）
（a ）1 ms  （b ）10 ms
图 8  出口处流线图
P e s s u e
P e s s u e  P a n e  1
P a n e  1
2.001e +007    1.999e +007
1.991e +007    1.990e +007    1.980e +007    1.981e +007
1.970e +007
1.972e +007
1.959e +007    1.963e +007 （P a ）
（P a ）
（a ）2.5 ms
（b ）5 ms
P e s s u e  P e s s u e  P a n e  1
P a n e  1
1.999e +007
2.000e +007 1.992e +007    1.994e +007 1.985e +007    1.988e +007 1.977e +007
1.982e +007 1.970e +007    1.975e +007 （P a ）
（P a ）
（c ）7.5 ms世勋鹿晗
（d ）10 ms
图 7  横截面压力分布图
V
V  Vo l .35No.09 基于 CFX  动网格技术的大流量开关阀动态仿真———王阳阳，等
第 35 卷第 09 期
（2）拉伸部分网格
在拉伸部分 ，网格需要随计算过程变 化 ， 需要 使用便于动网格计算的六面体网格及扫掠生成网 格方式，用来保证在竖直方向网格的一致性。 同时， 为了保证动网格变形中竖直方向网格质量，初期竖 直方向网格密度被加大，网格如图 5 所示。
图 5  滑移拉伸部分网格示意图
网格划分单 元数 167.3 万 个 ， 节
点 数 69.5 万 个，有效地保证了计算精度及结果的可靠性。
3 动网格设置及计算
本文中在拉伸部分设置了滑移动网格，为了简 化计算，对比试验数据设置拉伸部分下表面竖直方 向的滑移速度 0.8 m/s ，计算时间步长 0.01 ms ，总时 间 10 ms 。
基于流体力学计算方程
鄣t  +V · V  证。 可以预计随着密封圈处开口的继续扩大，流场
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的压力差会继续变小。
流线图如图 8 所示，1 ms  时流线在密封圈处有
个明显的折弯，同时，开口处大量的流线直接向下 进入密封圈缝隙内，同时其方向都是向中间区域，流 体最大速度达到了 24.57  m/s ， 出现在密封圈开口 处。 10 ms  时，流线在密封圈处折弯已经减弱，同时 流线的折返现象也出现了， 流场变得更为稳定，流 场最大速度降低为 22.43 m/s，出现在进液口周围。
→
ρ  鄣V →
→
→
=-  p +η  2V
采用 CFX  内置求解器进行求解。
4 结果分析
速度变化如图 6 所示，可以看出，初期速 度较 快达到 29.94 m/s ， 然后迅速下降， 到 7.5 ms  时为 22.39 m/s ，之后下降速度减慢，在 10 ms  时为 17.70 m/s 。 可以看出在 10 ms  内， 流速高的区域贴着进液口下 端及密封件。 随着时间推移，密封处开口变大，相对 流速高的区域有所扩大，在中缸下表面中部流速接 近 0 的区域也在缩小。
压力变化如图 7 所示，启动初期 2.5 ms  时流体 域上下压力差最大，达到 0.42  MPa ，随着时间 推移 压力差逐渐缩小，在 10 ms  时缩小为 0.25 MPa 。 低 压力区出现在由于网格运动出现的扩展区域，最小 压力出现在流速较高的区域，与速度场图片相互验
62
5 结语
仿真得出，在开启瞬间流体通过开口向内迅速流 动，速度达 34.89 m/s ，流体域内压力差可达 0.94 MPa ， 同时， 可以看出在密封舱的流线有明显的折弯现 象。 随着时间的推移，流体运动速度及压力差迅速 下降，整个流场变得更加稳定，同时可以得出密封 处间隙及结构对内部流场影响较大。
参考文献：郑爽和张翰什么关系
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作者简介 ：王阳阳 （1985-  ），山 西晋城人 ，硕士 ，2008 年毕业于 韩国东亚大学机械工程学院 ， 现工作于煤炭科学研究总院检测分 院 ， 主 要从事支护检测技术研究及检测产品开发 ， 电 子 信 箱 ：
wangyang yang1985@g mail.
责任编辑：丛培建  收稿日期：2014－05－28