梭式核級(jí)閥內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值仿真

梭式核級(jí)閥內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值仿真

1梭式斷封閥采用預(yù)緊器密封,具有振動(dòng)大、可密封性好液壓閥的使用壽命主要與副表面的密封性能有關(guān)，即泄漏和磨損。本文研究的梭式止回閥閥瓣采用雙重密封,除端面密封外,周向還有O形密封克服了一般止回閥密封效果差的缺點(diǎn)。圖1為梭式止回閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,可見其具有軸流對(duì)稱,結(jié)構(gòu)緊湊,雙向密封,閥芯行程短,梭式流線型流道等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。其基本動(dòng)作原理為:閥芯內(nèi)部設(shè)置有預(yù)緊的彈簧,當(dāng)介質(zhì)由左端流入閥門時(shí),克服彈簧的預(yù)緊力作用,閥芯向右移動(dòng),閥門打開;與旋啟式止回閥相比,其閥瓣不是靠重力關(guān)閉,而是依靠彈簧的預(yù)緊力,因此,即使在閥背壓很低的情況下也能關(guān)閉嚴(yán)密。2建立和控制模型2.1空間發(fā)育建模(1)梭式止回閥內(nèi)部的流體運(yùn)動(dòng)是軸對(duì)稱的;對(duì)于旋起式止回閥,可以取過(guò)軸線的豎直剖切面進(jìn)行研究,采用2D建模;(2)考慮到AINDA建模的復(fù)雜程度,本文采用CATIA軟件建立幾何模型,然后通過(guò)IGES通用數(shù)據(jù)接口將模型讀入ADINA。2.2雙向流固耦合類型的檢驗(yàn)結(jié)果流固耦合力學(xué)研究的是兩相介質(zhì)之間的相互作用。模擬閥門的開啟無(wú)論是閥芯的移動(dòng)還是閥瓣的旋起,一定會(huì)影響流場(chǎng)的形態(tài),因此采用雙向流固耦合類型,流體和結(jié)構(gòu)模型之間需要迭代求解,根據(jù)應(yīng)力、位移或者兩者的結(jié)合來(lái)檢查迭代的收斂性。其相關(guān)控制方程如下位移的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)式中d———位移;τ———應(yīng)力。為了防止在檢查收斂時(shí)應(yīng)力和位移值太小,ε0=10-8;εd和ετ分別是位移和應(yīng)力收斂的容許誤差,考慮到迭代的收斂性,分別取其值為0.01,最大迭代次數(shù)取為200次。2.3流場(chǎng)及邊界條件(1)假定閥門開啟壓力為20MPa且在開啟過(guò)程中保持不變;(2)假定閥芯(閥瓣)勻速開啟,開啟時(shí)間為1s;(3)采用無(wú)滑移邊界條件,閥體內(nèi)壁為wall,閥芯或閥瓣邊界都設(shè)為FSI;(4)流體材料設(shè)為不可壓縮常參數(shù)模型,壓力為115000Pa,密度為950kg/m3,黏度為0.002Pa·s體積模量為2.56×109;閥芯或閥瓣為各向同性線彈性材料,彈性模量2×1011Pa,泊松比為0.3,密度為7800kg/m3;(5)閥芯位移為0.1m,閥瓣旋起角度為90°。3比較模型結(jié)果的分析3.1流體速度分布(1)圖2為閥瓣旋起45°時(shí)作出的速度矢量圖。由圖可知,閥瓣下端的流速很大,最大流速為148.9m/s;閥瓣后端出現(xiàn)了一個(gè)漩渦,這是由于閥門在開啟過(guò)程中,閥瓣推動(dòng)流體向后上方流動(dòng),引起流體回旋運(yùn)動(dòng);閥瓣的中下部出現(xiàn)了速度空白區(qū)域,是由于液體回流與向右運(yùn)動(dòng)的流體相撞,能量相互抵消,產(chǎn)生了局部流體靜止現(xiàn)象;從整體上看,由于流速分布集中而不均勻,回流現(xiàn)象和漩渦使得速度矢量方向不一致,閥門中的流體呈湍流狀態(tài);(2)圖3為0.5s時(shí)刻作出的壓力云圖。由圖可知,流體的最大壓力出現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)2處,其值為2.11×107Pa,最小壓力為-2570908Pa,在節(jié)點(diǎn)433處;流體壓力分布從左端到右端總體呈階梯形式遞減,但局部產(chǎn)生較大或較小的壓力,特別是中間下側(cè)的壓力變化尤為明顯,出現(xiàn)了突變區(qū)域;閥瓣的左側(cè)壓力很大,而右側(cè)則很小,可見閥瓣在開啟過(guò)程中受力極不平衡,容易產(chǎn)生振動(dòng);(3)為了進(jìn)一步研究閥門開啟過(guò)程中的流速變化情況,取節(jié)點(diǎn)498作為具體研究對(duì)象,作出其速度曲線如圖4所示,該曲線波折起伏,整體呈上升趨勢(shì),中間出現(xiàn)了3次斜率突然增大又突然減小的突變情況,因此,閥門在開啟過(guò)程中,節(jié)點(diǎn)的速度不斷增大,但是整個(gè)變化過(guò)程很不平穩(wěn),波動(dòng)曲折;(4)為了進(jìn)一步研究閥門開啟過(guò)程中的壓力變化情況,取受沖擊較大的閥瓣最末端節(jié)點(diǎn)21作為具體研究對(duì)象,由圖5可知,該曲線變化趨勢(shì)復(fù)雜,波折起伏,在閥門剛開啟瞬間,流體沖擊節(jié)點(diǎn),使節(jié)點(diǎn)壓力迅速變?yōu)樽畲笾?隨著閥瓣旋起角度不斷增大,以及回流的產(chǎn)生,壓力逐漸減小;另外,由此曲線也可以得出,作用在閥瓣上的載荷變化情況也很復(fù)雜,容易引起閥瓣的振動(dòng)?？傊?在閥門開啟過(guò)程中,節(jié)點(diǎn)壓力不平穩(wěn),變化情況復(fù)雜。3.2流場(chǎng)壓力仿真分析(1)圖6為速度矢量圖,最大流速為91.88m/s;流速呈軸對(duì)稱分布,整體分布較均勻,左右兩端流速大小較接近,可見流體從左端運(yùn)動(dòng)到右端,其能量損失較小;除了閥芯開口兩側(cè)的流速方向較傾斜外,整體流動(dòng)方向一致,無(wú)渦流現(xiàn)象和流速空白區(qū)域,流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定,流速分布均勻,因此流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)主要以層流為主;(2)圖7為壓力云圖,流場(chǎng)的最大壓力為2.023×107Pa,位于節(jié)點(diǎn)163處,最小壓力為-2.14217Pa,位于節(jié)點(diǎn)65處;流場(chǎng)壓力左端大,右端小,從左到右呈階梯型分布;另外,壓力分布呈軸對(duì)稱形式,所以作用在閥芯上的載荷也對(duì)稱分布,閥芯受力均衡,在開啟的過(guò)程中不易產(chǎn)生振動(dòng),這樣對(duì)流場(chǎng)的影響也很小,開啟過(guò)程將會(huì)比較平穩(wěn);(3)為了進(jìn)一步研究流場(chǎng)的速度變化情況,并和旋啟式止回閥進(jìn)行對(duì)比分析,選取498節(jié)點(diǎn)作為具體的研究對(duì)象,作出其流速曲線如圖8所示。此速度曲線主要由2條曲線構(gòu)成,閥門在剛開啟時(shí),節(jié)點(diǎn)受到瞬時(shí)沖擊,其速度以較大的斜率遞增,形成曲線1;隨著閥門的開啟,流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定,節(jié)點(diǎn)速度以曲線2的形式逐漸穩(wěn)步增大?？傊?節(jié)點(diǎn)速度在大部分時(shí)間內(nèi)以較小的斜率逐漸增大。(4)為了和旋啟式止回閥進(jìn)行對(duì)比分析,進(jìn)一步研究流場(chǎng)的壓力變化情況,選取受流體沖擊較大的閥芯最前端節(jié)點(diǎn)198作為具體的研究對(duì)象,作出其流速曲線如圖9所示,該曲線由3段曲線構(gòu)成,曲線1是由于閥門開啟時(shí),閥芯受流體沖擊,突然向右移動(dòng),閥芯前端出現(xiàn)了短暫的局部流體缺失,于是形成了一個(gè)瞬時(shí)背壓;當(dāng)向右運(yùn)動(dòng)的流體補(bǔ)充過(guò)來(lái)后,沖擊閥芯,其壓力迅速增大,即曲線2;隨著閥芯右移,流動(dòng)狀態(tài)趨于穩(wěn)定,節(jié)點(diǎn)壓力以曲線3的形式,穩(wěn)定地逼近20MPa?？傊?節(jié)點(diǎn)壓力在開啟瞬間出現(xiàn)抖動(dòng),其后大部分時(shí)間內(nèi)非常穩(wěn)定。3.3旋啟式斷流閥瓣組合(1)相同點(diǎn)(1)流場(chǎng)壓力均為左端大,右端小,呈階梯型分布;(2)流體速度都呈逐漸增大趨勢(shì);(3)閥門在開啟過(guò)程中均出現(xiàn)了背壓現(xiàn)象。(2)不同點(diǎn)梭式止回閥和旋啟式止回閥的不同點(diǎn)如表1所示。(3)綜合分析(1)對(duì)于旋啟式止回閥,閥瓣受力不平衡,導(dǎo)致整個(gè)閥體振動(dòng),產(chǎn)生沖擊、發(fā)熱和氣蝕,將會(huì)降低閥門的使用壽命;流場(chǎng)的湍流狀態(tài)