基于ANSYS APDL和FLUENT Journal的液压锥阀流场参数化仿真软件设计

谭剑波，刘桓龙，于兰英

（西南交通大学机械工程学院，四川成都 600031）

液压锥阀是液压传动与控制中一种重要的基础性元件，其结构虽然简单，但阀内流场却十分复杂。油液经过阀口时容易出现漩涡和速度的重新分布，产生气穴现象，引起流体噪声，严重影响和制约了液压锥阀的应用效能[1-2]。因此，对阀内流场进行模拟仿真成为液压锥阀设计过程中不可或缺的工作之一。

锥阀研发过程中往往需要不断调整与优化几何结构、边界条件等参数，以使产品质量和性能更佳。对几何结构、边界条件中任何一个参数的修改，都会造成锥阀流场的重新计算与仿真。由于设计参数较多，部分参数取值范围又较大，因此在整个锥阀产品设计、试验、定型过程中，需要进行各种不同参数组合的大量的具有一定重复性的仿真工作。为此，通过开发一种参数化的液压锥阀流场仿真软件，以降低人工参与程度和重复性操作强度，有效提高分析效率，缩短产品研发周期。

1 需求分析

液压锥阀流场参数化仿真软件根据用户输入的参数自动完成锥阀前处理（包括流场建模与网格划分）和流场分析，并输出仿真计算结果，以便将操作者从繁复的重复工作中解脱出来，最大限度地提高分析效率。为了实现建模的参数化，网格划分的参数化和流场分析的参数化，在锥阀流场建模、网格划分和流场分析过程中需要预先设置各种参数，这些参数按功能归属分为3类。

1.1 几何结构参数

液压锥阀采用图1所示的几何结构模型，流体在阀腔内是三维流动，考虑到阀腔结构及流动的对称性，将锥阀流场计算区域简化为图2所示的二维轴对称几何模型，假定阀口倒角与阀芯半锥角α相等，涉及到的几何结构参数如表1所示。

图1 锥阀几何结构模型

图2 锥阀流场计算区域二维轴对称几何模型

表1 锥阀几何结构参数

1.2 网格单元参数

网格单元参数用于指定网格单元的形状和尺寸。液压锥阀流场计算区域采用二维轴对称模型，因此网格单元形状可选择三角形或四边形，而单元尺寸则应根据锥阀几何尺寸和计算要求来合理选择。

1.3 流场分析参数

流场分析参数包括流体属性参数、流体边界条件和迭代求解参数。

（1）流体属性参数

阀内流体是包含油液和蒸汽的混合两相流，其流体属性参数列于表2中。

表2 流体属性参数

（2）流体边界条件参数

速度进口（m/s）：轴向平均速度ui，径向速度为0；

压力出口（Pa）：Po。

（3）迭代求解参数

迭代计算参数包括迭代求解次数和流体速度-压力耦合方法。迭代次数通常取决于求解残差要求和收敛情况。FLUENT中流体速度-压力耦合主要有标准SIMPLE算法、SIMPLEC算法和PISO算法。一般而言，可压缩流动采用SIMPLE，不可压缩流动则采用SIMPLEC和PISO。系统默认使用SIMPLE算法[3-4]。

2 总体设计

图3 软件的总体结构框图

基于系统需求，提出图3所示的液压锥阀流场参数化仿真软件总体结构，包含前处理和流场分析两个模块。前处理模块实现参数设置、建模、网格划分和模型预览，流场分析模块完成参数设置、流场计算和结果输出。前处理模块设置几何结构和网格单元参数，而流场分析模块设置流体属性、流体边界条件和迭代求解参数。为了管理方便，增加了一个系统主界面。

图4 流场计算实现过程

锥阀流场的前处理和模拟仿真是基于ANSYS APDL（ANSYS Parametric Design Language，ANSYS参数化语言）[5]和FLUENT Journal（jou脚本程序，也是一种宏）[6]通过后台脚本程序和命令流去操控ANSYS和FLUENT来实现的。软件根据用户输入的几何结构和网格单元参数，生成ANSYS mac宏文件去操控ANSYS实现锥阀流场二维轴对称几何模型的建立和网格的划分，输出cbd网格模型文件供FLUENT仿真调用。在流场计算与分析模块，软件根据用户设置的流体属性、边界条件和迭代求解参数生成FLUENT jou脚本程序操控FLUENT实现参数化的流场仿真计算。图4给出了软件流场计算实现过程。总之，参数化仿真软件虽不直接实现液压锥阀流场分析的前处理和计算，但整个过程都由其后台操控ANSYS和FLUENT完成，因此它才是流场分析计算过程的组织和管理者。

3 软件设计

软件采用VB 6.0设计，包含主窗体、流场分析前处理和流场计算与分析3个窗体。对软件设计而言，界面设计相对容易，关键在于如何实现参数化的前处理和流场分析。

3.1 参数化的前处理

图5为流场分析前处理程序的流程，重点在于锥阀流场几何模型计算的和操控ANSYS的APDL mac宏文件设计。

（1）锥阀流场几何模型计算

锥阀流场二维轴对称几何模型如图2所示，该区域由8个关键点k1～k8所连成的8条直线L1～L8围成。因此，锥阀流场几何模型的计算实际上就是关键点的坐标计算。选k1为坐标原点(0，0)，则其余关键点的坐标为：

k2：（Lin-b-Dincotα/2+h/sinα，0）；

k3：（Lin-b+(D-Din)cotα/2+h/sinα，D/2）；

k4：（Lin+Lo-Do/d，D/2）；

k5：（Lin，D/2）；

k6：（Lin,Din/2+btanα）；

k7：（Lin-b，Din/2）；

k8：（0，Din/2）。

（2）APDL mac宏文件设计

APDL的语法可参考ANSYS提供的官方文档[5]，依照图5给出的程序流程来完成mac宏文件命令流的编写。限于篇幅，仅以建模为例介绍APDL命令流设计方法。

锥阀流场二维轴对称几何模型的创建是由点→线→面的过程。关键点创建命令格式为：

K，n，x，y，z。

其中K为关键点（Key point）创建命令；n表示点的序号；x，y，z表示点的坐标。因为是二维模型，故只需x，y坐标即可。

线创建命令格式为：

图5 流场分析前处理程序流程图

L，p1，p2。

其中L为线（Line）创建命令；p1，p2表示点号。譬如，L，3，5表示将点3和点5的连成直线。线创建命令中线号是从1开始连续生成的，为方便网格划分后的边界定义，可以有意将同种边界的若干条线段放在一起创建，使其线号连续。如图2所示，锥阀的轴、进口、出口只有1条线段，而壁面有5条线段，故可以先生成轴、进口和出口的线段，最后再生成壁面的线段，这样在定义壁面边界时只需1条命令即可。

面创建命令为：AL，L1，L2，…L10AL，all。

AL为由线创建面指令，它支持最多10条线完成一个面，也可直接将选中的所有线段围成一个面。

3.2 参数化的流场分析

图6 流场计算与分析程序流程图

图6 是流场计算与分析窗体的程序流程，可以看出模块设计的重点是设计操控FLUENT进行流场计算的Journal宏文件。以设置计算模型为例，其脚本如下。

/define/models/axisymmetric?y‘定义二维轴对称模型

/define/models/mul/model mixture‘定义多相流混合模型

/define/models/mul/mp n‘不选择slip velocity

/define/models/viscous/ke-rng y‘粘性模型:RNGk-ε

/define/models/viscous/nwt/ewt y‘近壁处理

4 结束语

图7 流场分析前处理界面效果

图8 流场计算与分析界面效果

应用论文提出的设计方法，成功开发出了液压锥阀流场参数化仿真软件。图7，图8分别给出了软件流场分析前处理和流场计算与分析的界面运行效果。参数化仿真软件只需操作者输入或者修改相关参数，便能自动完成液压锥阀流场的建模、网格划分和流场计算，并获得最终的计算结果。整个过程一般在2～10分钟内完成。同样工作如用熟练CAE工程师进行多软件协调操作，至少需要30分钟，提高工效达10倍以上。

软件通过APDL宏文件和Journal宏文件操控ANSYS和FLUENT，实现了参数化的液压锥阀流场分析前处理和流场计算，完成了前处理和求解过程的无缝连接，有效地融合与集成了锥阀流场计算分析过程中的各种数据和信息，形成了一体化的快速仿真平台。软件使操作者完全避开了对CAE专业软件（包括前处理和求解软件）的繁琐操作和软件间的数据转换，大大降低了对操作者专业软件技能的要求，提高了设计分析效率，缩短了产品开发周期，可广泛应用于锥阀的工程设计和仿真测试。如果修改几何模型和相关特征参数，该软件的设计思路还可推广至更多产品的设计和仿真领域。

［1］张利平.液压阀原理、使用与维护［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［2］高红.溢流阀阀口气穴与气穴噪声的研究［D］.杭州：浙江大学，2003.

［3］ ANSYS Inc.ANSYS Fluent 12.0 User's Guide ［Z］.2009.

［4］韩占忠.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2009.

［5］ ANSYS Inc.ANSYS ANSYS LS-DYNA User's Guide［Z］.2009.

［6］ ANSYS Inc.ANSYS Fluent 12.0 Text Command List［Z］.2009.