液压缸间隙密封流场下支承环的流固耦合分析(五)

3.3基于fluent仿真的流场域求解

由于流固单向耦合需要分别对两个物理场进行先后分析，故先需将上述网格导入workbench的fluent模块中，进行流场域求解。而且本文分析最主要的一点是确定支承环的在高压环境工作中的变形大小，因此确定流场域对支持环内表面（即流场域外层表面wb）施加的压力是最主要目标与任务。

3.3.1仿真参数设置

跟fluent经典版本相比，本文使用的为fluent的workbench版，其仿真过程较之前有着明显变化。下面以入口压力为20MPa为例进行分析，具体仿真过程如下：1)启动workbench,将toolbox中的fluent及static structural拖入右边的

project schematic中，搭建分析流程模块，如图2所示。

2)鼠标右键点击fluent模块的A3栏Mesh，选择导入网格文件。此时导入上述GAMBIT

中划分好的网格。

3)双击fluent模块的A4栏Setup，进入fluent分析操作模块，操作界面如图3所

示，可以看出与经典版本的有很大不同。（注：在进入之前需在FLUENT launcher 对话框里勾选Double Precision选项，因为双精度计算在计算薄壁结构时能更快收敛，结果更加精确，而本文计算的最小壁厚仅为0.015mm）

4)点击左侧Problem Setup下的General选项。先点Check命令，可再次检查网格

质量，主要是看网格最小体积是否小于0，小于0即出现负体积，那么网格划分出现问题，后续计算不能继续进行，这时需要重新对模型划分网格。再点Scale 命令，fluent默认单位为m，转换fluent的单位，使其与实际模型单位mm一致。

5)点击左侧Problem Setup下的Model选项，定义计算模型的类型。由于本文主要

研究间隙密封流场的压力变化，而且流体介质单一，没有涉及到温度场的仿真计算，所以关闭多相流分析（Multiphase）、温度分析（Energy）及热交换（Heat Exchanger）选项。设置粘度模型（Viscous Model）为k-epsilon(2eqn)标准型。

其它保持默认选择。

图3.3Workbench下Fluent操作界面

6)点击左侧Problem Setup下的Materials选项，定义流体介质。本文仿真的是46

号液压压油，在fluent介质数据库里没有该材料，故新建一个材料，命名为1，将密度（Density）更改为870kg/m3，动力粘度更改为0.039kg/m.s。

7)点击Problem Setup下的Cell Zones Conditions选项,定义整个流场域的介质

类型。在material name中选择前面定义的介质1，点击ok命令，就实现了整个流场域的流体介质的类型。

8)点击Problem Setup下的Boundary Conditions选项,定义边界条件。首先定义

进口条件：点击in，对其进行编辑，gauge total pressure（pascal）中设置为20000000，即进口20PMPA，Specification Method中选择Intensity and Hydraulic Diameter。最后定义出口条件：点击out,设置出口压力为2MPA,其它设置同上。

9)点击Solution下的Solution Methods,选择Spatial Discretization选项,定义

离散化条件。设置Gradient为Green-Gauss Cell Based，设置Momentum、Turbulent Kinetic Energy和Turbulent Dissipation Rate为Second Order Upwind。其余保持默认设置。

10)点击Solution Controls，定义求解控制因素。设置Pressure、Density、Body

Forces、Momentum分别为0.15、1、1、0.4。

11)点击Monitors,设置所有残差标准均为0.001，并且勾选plot选项，显示仿真计

算残差收敛曲线，便于结果收敛判断。

12)点击Solution Initialization，进行计算仿真初始化。点Compute from选择

all-zones进行初始化。

13)依次点击File/Write/Case&Date进行文件模型参数保存。

14)点击Run Calculation,设置迭代步数为1500步，点击Calculate按钮，开始计

算。如果在1500步内计算还不收敛，那么可能的原因就是：1.网格划分疏密不当；2.参数设置，尤其是松弛因子设置不当。因此可以通过调整网格疏密及松弛因子的办法，使计算结果收敛。

3.3.2仿真计算收敛性分析

经过750多步迭代，残差图曲线收敛，如图3.4所示。

在残差曲线图中，有4条曲线是非常重要的收敛指标：continuity,即连续性方程；x，y，z三个方向上的速度值。只有当这几个指标不断下降，其值全部小于设置的残差值0.001时，计算结果才会收敛，计算迭代才会终止。

如果continuity不收敛，原因可能如下：①网格，经过2次网格质量检查，网格生成的质量没问题，但是网格的疏密程度，如边界层划分太粗都可能导致连续性方程不收敛；②边界条件的设置③松弛因子的设置等。这时可首先对边界条件或者松弛因子进行重新设置，如果计算还不收敛，那么必须对网格重新划分。在本模型中，平衡槽侧面与进出口面上网格密度相差不要太大，但由于平衡槽厚度0.6mm远超于进出口厚度0.015mm,所以平衡槽里网格数不好过大提升。提升太大，网格太密，网格数

图3.4残差曲线图

量超过100万，计算机计算速度下降。这时可采用将平衡槽划分成三棱柱网格来加密的方法。而上述收敛曲线就是这种方法计算后的结果图，显然此方法可行。