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7.2流体仿真

   Flow Simulation是SolidWorks软件中另一个重要的插件,它主要用于流体模拟分析,其中
包括内流、外流、可压缩或不可压缩的气体或液体、亚音速、音速、超音速等。不过,现实中流
体流动的过程往往是和温度有关的,因此,Flow Simulation模块可以同时把温度和流动耦合起来
分析,这样能更好地满足工程实际的需要。但有必要指出Flow Simulation模块的一些局限性,
也就是Flow Simulation所不能分析的实例,如伴有化学反应的流体流动、相变环境中的流体流
动(如气液混合的流体)、有运动部件的流体流动。知道以上信息,用户就可以大概了解Flow
Simulation可以做什么样的分析。以下内容简单介绍如何使用Flow Simulation插件。
 
  7.2.1  Flow Simulation插件简介
 
  和SolidWorks Simulation -样,Flow Simulation是SolidWorks软件中的一个插件,只有该插
件被激活后用户才能使用。激活后的Flow Simulation会在SolidWorks软件的界面中出现相应的
工具栏。
    1.Flow Simulation插件的激活
    激活Flow Simulation插件的方法如下。

  【操作步骤】
  步骤01 选择“工具”一“插件”命令,如图7-62所示,或直接在菜单栏中单击“选项”
下拉菜单,选择“插件”命令。
SolidWorks2014工程实例与仿真 7.2流体仿真1
    步骤03 单击“确定”按钮,完成激活。
    【注意】
    若只勾选“插件”对话框中的前面复选框,如图7-63所示,那么SolidWorks Flow Simulation
插件只在本次打开的SolidWorks软件中处于激活状态。也就是说,在下次打开SolidWorks软件
时SolidWorks Flow Simulation插件不会自动启动。若同时勾选两个复选框那么SolidWorks Flow
Simulation插件会在下次启动SolidWorks软件时自动激活。

图7-63  临时激活插件

    2.Flow Simulation工作界面介绍
    Flow Simulation工作界面和SolidWorks Simulation工作界面相似,大体布局相同,以下内容
简单介绍Flow Simulation的工作界面,如图7-64所示。
    (1)工具栏:Flow Simulation工具栏包含了“向导”、“新建”、“克隆项目”、“运行”等按钮,
方便设计者在做分析时使用。其中,“向导”是做分析前的首要设置,相当于在做SolidWorks
Simulation分析时的预处理。
    (2) Flow Simulation分析按钮:这与SolidWorks Simulation不同,由7.1节的内容可以知道,
新建的结构分析算例出现在“算例界面”内。而Flow Simulation中“向导”设置完成后,Flow
Simulation分析按钮会出现在如图7-64所示的位置,不会出现在“算例界面”内。
    (3)设计树:Flow Simulation设计树中包含两个部分,一个是“流体分析”部分,主要有“计
算域”、“流体子域”、“边界条件”、“目标”等选项;另一个是“结果”部分,该部分提供了多种
查看结果的方式,可供不同需求的用户选择。

图7-64  Flow Simulation工作界面

  7.2.2分析流程
 
  为了可以让用户更好地了解Flow Simulation的分析流程,以下内容以一个例子来分析。凡
是安装了SolidWorks软件的用户都会有软件自带的例子和教程,这些例子放在SolidWorks的安
装盘里,用户可以用软件自带的例子进行分析。
    【操作步骤】
    步骤01   打开实例。以我的计算机为例,打开文件D:\Program Files (x86)\SW2014\SolidWorks
Flow Simulation\Examples\ball valve\ball valve,找不到的用户可以直接打开光盘文件一“第7章”
一“7.2”一\“ball valve”。打开装配体后如图7-65所示。

图7-65打开“ball valve”装配体

  步骤02  创建向导。单击“向导”按钮,出现“向导一项目名称”对话框,将“项目名称”
文本框的内容改为“球阀”,“注释”文本框的内容可以不写,如图7-66和图7-67所示。
   图7-67设置项目名称
 
单击“下一步”按钮,弹出“单位系统”对话框,选择单位“S[m.kg.s]”,如图7-68所示。

  图7-68选择单位

    单击“下一步”按钮,弹出“分析类型”对话框,选中“内部”单选按钮,选择“排除不具
备流动条件的腔”复选框,如图7-69所示。
    单击“下一步”按钮,弹出“默认流体”对话框,单击打开“液体”文件夹,选择“水”选
项,单击“添加”按钮。“水”便被加载到“项目流体”内,如图7-70所示。
    单击“下一步”按钮,弹出“壁面条件”对话框,“壁面条件”为“绝热壁面”,“粗糙度”
为“0微米”。
    单击“下一步”按钮,弹出“初始条件”对话框,保持默认设置不变。

图7-70选择项目流体

    单击“下一步”按钮,弹出“结果和模型精度”对话框,设置“结果精度”为“3级”,选
择“手动定义最小缝隙尺寸”复选框,在“最小缝隙尺寸”文本框输入数值0.009,单击“完成”
按钮,完成“向导”设置,如图7-71所示。
    设置后可以看到模型内部出现了黑色方框(见图7-72),该方框内就是软件自动找到的分析
区域,如果发现流体区域划分不对,用户还可以自己调整方框的大小,以便将流体区域全都包含
进来。其方法是:右击“计算域”选项,选择“编辑定义”命令,弹出“计算域”对话框进行设
置,如图7-73所示。
    黑色方框:右键单击“计算域”选项,单击“隐藏”按钮。
    步骤03插入边界条件。右击“边界条件”选项,选择“插入边界条件”命令,弹出“边
界件条件”对话框,如图7-74所示。
  图7-71  设置结果和模型精度

图7-74进入“边界条件”对话框

    步骤04选择可应用边界条件的面。将光标移到如图7-75所示的面上,右击,选择“选取
其他”选项,单击“面@1[Lid<2>]”选项,

图7-75  选择可应用边界条件的面

    用户在自己命名边界条件的时候一定不能在名称中包含图7-76  “类型”及“流动参数”设置
@、/字符,否则软件会提示命名无效。
    步骤05继续插入边界条件。右击“边界条件”,选择“插入边界条件”命令,选择出口边
界。右击如图7-77所示的面,选择“选择其他”命令,单击“面@l[Lid<l>]”选项,完成选择。
“选择”栏内出现“面<I>@Lid-l”。
    接下来在“类型”栏中选择“压力开口”按钮和“静压”选项,其他按系统默认的处理,如
图7-78所示。

图7-77选择可应用边界条件的面

图7-79边界条件

  步骤06  插入目标。插入完边界条件之后,为了让软件可以更好地将分析结果显示出来,
用户还要插入计算的目标。
    右击“目标”选项,选择“插入表面目标”命令,进入“表面目标”属性管理器,如图7-80所示。
图7-81  “参数”设置

    步骤07 运行。单击工具栏中的“运行”按钮,弹出“运行”对话框,单击“运行”按钮
运行算例。如图7-82所示。但是在运行完毕之后,可以看到求解器中的信息栏里出现了以红色
写出的“漩涡经过压力开口”报警,如图7-83所示。这是由模型结构产生的,不干扰读取分析
结果,在这里可以把它忽视,关闭求解器。
    步骤08  查看结果。这里以“切面图”为例,其他的将在后面的章节中进一步讲解。
    右击“切面图”选项,选择“插入”命令,进入“切面图”属性管理器,在“选择”栏内单
击“参考”按钮,并选择“Planel”为参考面;在“偏移”文本框中输入“Om”;在“显示”栏
内单击“等高线”按钮,如图7-84所示。

图7-84  “切面图”设置

图7-85查看结果

  7.2.3读取结果
 
  从结果文件夹下可以看到Flow Simulation为用户提供了多种查看结果的方式,用户可以根
据自身不同的需求进行选择。分析的结果有静态或动态的视图,采用哪种表示方式也完全由用户
决定。下面简单地介绍几种常用的结果查看方式。

    1.切面图
    在7.1节中已经用切面图查看了结果,为了巩固练习,读者在前面分析的基础上再用切面图
剖切其他的截面进行查看。
  【操作步骤】
  步骤01 打开光盘文件一“第7章”一“7.2”一“ball valve”,单击“运行”按钮(注意:
此时“运行”按钮对话框中默认为“继续计算”),继续计算。
    步骤02 重命名计算结果。用鼠标对“切面图1”进行单击——暂停——单击操作一输入“竖
直截面”。
    步骤03 右击“切面图”选项,选择“插入”命令,在“选择”栏内单击“参考”按钮,并
选择“Plane2”为参考面;在“偏移”文本框中输入“Om”:在“显示”栏内单击“等高线”按钮
和“矢量”按钮,如图7-86所示。
图7-87分析结果

    从结果中可以看到水平截面比竖直截面多了许多矢量箭头,其他地方都没有变化,这些矢量
代表着流体的方向,从图上也可以看出矢量方向是从入口指向出口方向。所以,用户选择了多少
个显示项目,结果中就会有多少种对应的显示图解。

SolidWorks2014工程实例与仿真 7.2流体仿真2

  2.表面图
  如果用户不需要知道某个剖面的压力分布情况,而是需要知道整个空腔内表面的压力分布情
况,那么选择“表面图”方式查看结果可以满足该需要。
  【操作步骤】
  步骤01 隐藏切面图。右击“切面图”选项,选择“隐藏全部”命令,竖直截面和水平截面
将会被隐藏。

 图7-88  “表面图”属性管理器设置及其结果

    需要指出的是,该查看结果的方式因为只有表面有颜色分布,所以运用动画功能时分析结果
不会有变化。
    3.等值面
    有时候设计者在做分析时,可能想查看数值相等的面,就像电场中的等势面一样。像这样的
面称为等值面。使用等值面不仅可以查看某个数值的等值面,还可以查看某个数值范围内的等值
面,以下做简单介绍。
  【操作步骤】

SolidWorks2014工程实例与仿真 7.2流体仿真3

图7-89某一数值的等值面

  4.流动迹线
 
  在某些设计中有可能需要了解流体在空腔内部的流动情况,这时可以用绘制流动迹线的方式
来查看分析结果。
  【操作步骤】
  步骤01   隐藏等值面。右击“等值面l”选项,选择“隐藏”命令,等值面将会被隐藏。
 
SolidWorks2014工程实例与仿真 7.2流体仿真4

图7-94  以箭头为媒介

  7.2.4创建封盖
 
  完成前面章节的分析后,基本将分析步骤和查看结果的方式都操作了一遍。但不知道用户有
没有注意到,除了球阀的基本零件(如把手、阀芯、外壳)之外,球阀的两端还多出两个盖子,
这两个盖子分别封住了球阀的进口和出口,使球阀内部形成了密闭的空腔,而这两个盖子就是所
谓的封盖。本节就主要讲解创建封盖的基本步骤。
  【操作步骤】
  步骤01  打开光盘文件一“第7章”一“7.3”一“流体热分析”一“电主轴”一“电主
轴.SLDASM”,如图7-95所示。

图7-95  电主轴

图7-95  电主轴

图7-98  自动创建封该

    由图7-98可以看出,如果让软件自动创建封盖,所选择的面上只要是开口端,软件便会自
动封上,这显然不是想要的结果。所以,建议用户尽量自己创建封盖,方便自己分析。
    创建封盖时一定不能产生零厚度的区域。注意到创建封盖的时候,我们将草图进行了双向拉
伸,也就是说封盖像塞子一样被塞进了进、出口处。假设只向后盖外部拉伸封盖,那么创建的封
盖和后盖之间的接触就是一条线,说线有厚度是不正确的。软件在划分网格的时候无法将零厚度
的位置进行网格化,所以不能进行模拟分析。常见的零厚度情况有线与线接触、线与面接触、面
与点接触等。具体如图7-99所示。

图7-99零厚度接触

  7.2.5检查模型
 
  有时用户在做分析的时候会遇到非常复杂的模型,建立完封盖后有可能自己也不知道有没有
建立完整,也就是说所有的封盖和壳体没能形成一个密闭的空腔。为了方便检查模型,Flow
Simulation为用户提供了检查模型功能。
  【操作步骤】
  步骤01 选择“流动模拟”一“工具”一“检查模型”命令,进入“检查模型”属性管理
器,勾选全部零件,点选“内部”分析类型,单击“检查”按钮,等检查完毕后弹出结果,如
图7-100所示。

图7-100检查模型

    在“检查模型”属性管理器中可以看到还有其他选项,如选中“内部”单选按钮并单击“显
示流体体积”按钮,模型则会高亮显示出流体空腔,如图7-101所示。

    在“检查模型”属性管理器中可以看到还有其他选项,如选中“内部”单选按钮并单击“显 示流体体积”按钮,模型则会高亮显示出流体空腔,如图7-101所示。

    若想把流体空腔单独提取出来进行研究,那么用户可以在“选项”栏中勾选“创建流体装配
体”复选框,再单击“检查”按钮,软件将会自动重新生成一个流体的装配体,并提示用户该装
配体,如图7-102、图7-103所示。

图7-103流体空腔

  7.2.6最小缝隙尺寸
 
  设置向导时,在“向导一结果和模型精度”对话框中勾选了“手动定义最小缝隙尺寸”复选
框,然后在“最小缝隙尺寸”文本框中输入了“0.009m”。那么这个尺寸是怎么来的呢?又有什
么作用呢?
    所谓最小缝隙尺寸,就是流体所能通过的最小缝隙尺寸,它由模型本身而定。用户所输入的
最小缝隙尺寸越接近实体中的最小缝隙,那么软件分析出来的结果就越切合实际。以球阀为例,
让球阀的入口处正对用户,它的最小缝隙是壳体边界和阀芯的最小距离,如图7-104所示。
  图7-104最小缝隙尺寸

  7.2.7最小壁厚
 
  和最小缝隙尺寸一样,最小壁厚的设置也很重要,对于那些壁厚比较薄的模型,设置最小壁
厚是必不可少的,但最小壁厚比最小缝隙尺寸容易确定,如图7-105所示。

图7-105最小壁厚

    最小壁厚的设置是否合适直接影响了软件分析结果的正确与否。若最小壁厚设置得太大,当
软件将模型进行网格划分时,薄壁部分划分的网格就会相对较少,也就会使薄壁处对流体分析的
影响变小,然而流体空腔内的薄壁部分对流体的影响最大,忽略了该部分也就使分析失去了意义。
    薄壁部分的网格到底划分成什么样才合适呢?一般来说,薄壁处的网格最好能划分到四格以
上。怎样划分网格就不在这里做详细介绍了。


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