不同彈簧剛度系數(shù)下單向閥關(guān)閉過程仿真分析

1 前言

奧孚研發(fā)團(tuán)隊(duì)，利用 FLUENT 軟件中動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)單向閥關(guān)閉過程進(jìn)行了數(shù)值仿真，得到了在不同彈簧剛度系數(shù)作用下，閥芯的關(guān)閉速度，關(guān)閉的總時(shí)間以及閥芯前后的壓差情況。

單向閥主要由彈簧、閥芯和密封口等部件構(gòu)成。當(dāng)上游壓力高于下游壓力一定值時(shí)，閥門開啟;當(dāng)下游壓力高于上游壓力一定值時(shí)，閥門關(guān)閉。根據(jù)單向閥只允許流體介質(zhì)沿一個(gè)方向流動(dòng)的特點(diǎn)，在石油、化工、核工業(yè)、水電等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，流體流經(jīng)閥芯時(shí)，與閥芯之間的相互作用問題為流固耦合振動(dòng)問題。在開啟或關(guān)閉過程中，閥芯周圍的流場(chǎng)變化劇烈，由此產(chǎn)生的水擊壓力是不容忽視的，此問題吸引了廣大學(xué)者的興趣，這使得單向閥的設(shè)計(jì)及應(yīng)用都得到了極大的發(fā)展。

奧孚研發(fā)人員動(dòng)態(tài)模擬了單向閥在不同彈簧剛度系數(shù)時(shí)的開啟過程，得到了開啟過程中閥芯的位移及運(yùn)動(dòng)規(guī)律。根據(jù)非線性彈簧質(zhì)量系統(tǒng)相關(guān)理論建立了氣體介質(zhì)單向閥的數(shù)學(xué)模型，對(duì)單向閥充氣共振現(xiàn)象進(jìn)行了分析，得到了不同閥門在不同開度下的流場(chǎng)分布。研究了單向閥作為配流閥時(shí)，彈簧剛度系數(shù)與預(yù)緊力的關(guān)系，得到了單向閥開啟時(shí)閥芯的運(yùn)動(dòng)曲線呈紡錘形。我們采用試驗(yàn)方法研究了單向閥關(guān)閉時(shí)的密封性能，得到了彈簧剛度系數(shù)是影響單向閥密封錐座蠕變變形重要原因。單向閥關(guān)閉時(shí)要求反向的泄漏率要小，關(guān)閉速度要適中，閉合時(shí)可靠性高，且無振動(dòng)、沖擊或噪聲，其中單向閥無振動(dòng)、沖擊或噪聲是單向閥的重要性能要求之一。影響單向閥這一性能的主要因素之一就是單向閥的彈簧剛度，當(dāng)彈簧剛度設(shè)計(jì)不合理時(shí)，可能導(dǎo)致單向閥發(fā)生喘振、關(guān)閉滯后等現(xiàn)象。基于此本文采用Fluent 軟件的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)不同彈簧剛度系數(shù)下的單向閥的關(guān)閉過程進(jìn)行了仿真，其結(jié)果可為單向閥的彈簧剛度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 單向閥模型的建立

2.1 單向閥流道的幾何模型

流體流經(jīng)單向閥時(shí)，其流道為軸對(duì)稱的，為減少計(jì)算工作量，將流道簡化為二維對(duì)稱模型，并將模型分為網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)區(qū)域與網(wǎng)格靜止區(qū)域兩個(gè)部分，通過建立交界面(interface)進(jìn)行對(duì)接

2.2 網(wǎng)格劃分

采用四邊形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行離散。由于閉合過程中，閥芯的位置是運(yùn)動(dòng)的，須采用動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算進(jìn)行模擬，因此將流體區(qū)域分為兩個(gè)部分，即網(wǎng)格變化區(qū)域與網(wǎng)格靜止區(qū)域。其中分界線右方為網(wǎng)格變化區(qū)域，其余區(qū)域?yàn)殪o止區(qū)域。

2.3 流體計(jì)算假設(shè)及邊界條件

不考慮管內(nèi)流體的壓縮性，假設(shè)為牛頓流體。單向閥在關(guān)閉過程中閥口處速度較大，為高雷諾數(shù)湍流, 故采用經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型。

2.4 動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)及閥芯運(yùn)動(dòng)方程

動(dòng)網(wǎng)格的更新主要有以下3 種方式: 彈簧近似光滑法(spring-based smoothing)、動(dòng)態(tài)分層法(dynamic layering) 和局部網(wǎng)格重劃法(local remeshing)。由于單向閥運(yùn)動(dòng)的方向可近似看作是直線運(yùn)動(dòng)，所以本文選定動(dòng)態(tài)分層法。小開度下閥芯前端部分壓力與速度變化相對(duì)較大，所以對(duì)閥芯前部必須進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 關(guān)閉位移時(shí)間關(guān)系

在安裝長度不變的情況下, 通過對(duì)剛度系數(shù)分別為1100，1000，900 的情況進(jìn)行數(shù)值仿真，得到了剛度系數(shù)與閥芯位移關(guān)系

單向閥的閥芯在關(guān)閉過程中主要受到流體壓力、彈簧彈力、穩(wěn)態(tài)流體液動(dòng)力、粘性阻力、慣性力和瞬態(tài)流體動(dòng)力等，而閥芯在靜態(tài)平衡點(diǎn), 即穩(wěn)態(tài)時(shí)受到的主要作用力是:彈簧彈力、穩(wěn)態(tài)流體液動(dòng)力，且達(dá)到靜力平衡狀態(tài)。

3.2彈簧剛度與壓差關(guān)系

表1不同彈簧剛度下完全關(guān)閉時(shí)壓差

彈簧剛度(N/mm)                                 閥前壓強(qiáng) (MPa)                                 閥后壓強(qiáng)(MPa)                                  壓差(MPa)   

900                                                   0.17                                                 0.1517                                             0.0183

1000                                                  0.2197                                             0.3141                                             -0.0944

1100                                                   0.4699                                            1.292                                              -0.8221

4 結(jié)論

(1)采用FLUENT 軟件中的動(dòng)網(wǎng)格對(duì)不同彈簧勁度單向閥關(guān)閉特性的模擬，相對(duì)于穩(wěn)態(tài)模擬，更清晰地模擬出關(guān)閉時(shí)的閥芯位移，移動(dòng)速度與關(guān)閉時(shí)間的關(guān)系，確定了壓差與彈簧剛度的關(guān)系。

(2)通過研究不同的彈簧剛度系數(shù)，得出剛度系數(shù)與閥芯后端出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)域大小有關(guān)。