本案例利用Fluent中提供的动网格及Gap模型模拟通道阀门完全关闭的场景。

1 问题描述

如下图所示的几何模型。

阀芯沿Y轴负方向运动，直至阀门完全关闭，通道内流量为零。

阀芯的运动可以使用动网格方法来处理，然而在动网格处理过程中，阀芯底部壁面不允许与通道底部接触（一旦壁面接触，立即会报负体积错误），因此通常需要保留极小间隙以维持计算，故无法模拟阀门完全关死的情况。

Fluent提供的Gap模型可以处理此类问题。

注：动网格中的Contact Detection模型也可以用于此类问题的处理。

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计算域几何如下图所示。本案例采用Layering方法处理动网格，因此将计算区域分割为3个区域，通过指定运动壁面的速度来模拟阀芯运动。几何建模过程中不要进行共享拓扑，以便生成interface边界。

阀芯上网格尺寸0.2 mm，生成网格（阀芯局部）如下图所示。

2 稳态计算

• 以3D、Double Precision方式启动Fluent并加载计算网格

本案例先算稳态再计算瞬态。

2.1 General设置

• 修改压力单位为atm

• 采用稳态计算

2.2 Materials设置

• 修改材料介质参数为液态水的数据

2.3 边界条件设置

• 指定入口总压为2 atm

• 指定出口静压为0 Pa

2.4 初始化计算

• 进行初始化

2.5 监测出口流量

• 监测出口边界上的质量流量

2.6 求解计算

• 设置迭代计算500步

• 计算过程中监测得到的出口流量，最终流量稳定在0.27 kg/s左右，负值表示流出

3 瞬态计算

3.1 General设置

• 切换到瞬态计算

3.2 Materials设置

• 指定水的密度为compressible-liquid

注：考虑水的可压缩性主要是为了防止阀门关闭瞬间形成的无限大压力造成计算发散。

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3.3 编译UDF

• 打开UDF编译对话框

• 编译UDF并加载

3.4  动网格设置

• 激活动网格，采用Layering方法

• 设置top边界为Rigid Body，并指定其运动

• 指定Cell Height为0.0002 m

• 指定side1边界为Deforming，采用默认参数

• 指定side2边界为Deforming，采用默认参数

3.5 设置Gap模型

• 点击工具按钮**Gap Model…**打开Gap Model对话框

• 如下图所示设置
• 指定Gap Name为默认名称gap_1
• 选中Face Zone列表项top与bottom
• 指定Proximity Threshold为0.001 m
• 设置Gap Type为Flow-Blocking
• 点击Create按钮

注：当边界top与bottom之间的距离小于0.001 m时，认为它们之间没有流体流动

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• 选中gap_1，点击Advanced Options… 按钮打开设置对话框，如下图所示设置

3.6 进行计算

• 指定时间步长0.05 s，时间步数150进行计算

注：建议采用自适应时间步长，确保每个时间步内计算收敛。

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• 阀芯运动时速度变化。当通道阻塞时，contours不显示阻塞间隙区域。

• 流量变化。可以看到在通道被阻塞时，出口流量突变为零

• 调换一下Y轴可能看得更清楚一下，如下图所示，可以看到出口流量随着阀门的关闭而降低

若想要看到更平滑的流量曲线，可以减小时间步长进行计算，尤其是在阀门完全关闭前后，需要更小的时间步长。本案例仅为演示，采用了较大的时间步长。另外，采用flow-blocking类型的间隙区域会存在流量从有到无的突变过程，会造成计算极不稳定，实际应用过程中不建议使用。在实际应用中，常使用flow-modeling类型并指定一个极小的泄漏流量，这样计算过程更稳健，也更符合实际情况。

相关文件：

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