【技術(shù)分享】超高壓閥門CFD分析方法

2017-03-31 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

背景描述

閥門按壓力分類,當(dāng)公稱壓力PN大于100MPa的閥門即稱為超高壓閥門。超高壓技術(shù)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、新興的氫動(dòng)力汽車行業(yè)、航天航空復(fù)合材料、陶瓷、高強(qiáng)度工程塑料、軍工特種材料等研究領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。在超高壓系統(tǒng)卸壓速度控制中,超高壓卸壓閥起著關(guān)鍵性作用。在低壓系統(tǒng)中,卸壓閥前后的壓力差直接決定了卸壓閥的流通能力,壓力差越大,流通能力越大,反之則越小。閥門的流量特性是高精度超高壓閥門設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過CFD方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)超高壓閥門的流量特性,不僅可以為超高壓閥門設(shè)計(jì)提供優(yōu)化依據(jù),同時(shí)也可為配套的超高壓控制系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

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圖1 超高壓安全閥

CFD分析技術(shù)關(guān)注點(diǎn)

超高壓閥門的CFD分析不僅涉及到高達(dá)幾百兆的壓差條件,同時(shí)閥門的開啟/關(guān)閉特性以及工作過程中的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于閥門的流體分析而言,均具有較大的技術(shù)挑戰(zhàn)性。從流體數(shù)值分析的角度出發(fā),對(duì)于超高壓閥門的流固耦合動(dòng)態(tài)分析存在的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:

閥門的關(guān)死問題:由于超高壓閥門前后壓差太大,如果分析時(shí)不能對(duì)閥門關(guān)死做處理,即使閥門關(guān)閉間隙很小,仍然會(huì)造成較大的流量泄露,引起計(jì)算結(jié)果的誤差偏大;
閥門運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型建立:超高壓閥門在運(yùn)動(dòng)過程中受到各種力的作用,如流體力、彈簧力、慣性力、阻尼力、摩擦力和其他外部施加力等,如何準(zhǔn)確構(gòu)建閥門運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程,是超高壓閥門動(dòng)態(tài)流體特性分析的前提條件;
閥門運(yùn)動(dòng)的高質(zhì)量網(wǎng)格建立和動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置:由于閥門的開啟/關(guān)閉以及運(yùn)動(dòng)過程均涉及運(yùn)動(dòng),必須構(gòu)建高質(zhì)量的網(wǎng)格模型才能確保在分析時(shí)不出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格,且保證結(jié)果的精度;隨著閥門動(dòng)態(tài)仿真的進(jìn)行,對(duì)于閥門動(dòng)網(wǎng)格的設(shè)置也是難點(diǎn)之一,以往均需要采用二次開發(fā)的形式實(shí)現(xiàn);
數(shù)值求解的穩(wěn)定性:在閥門前后壓差高達(dá)幾百兆帕的條件下,進(jìn)行CFD非定常求解時(shí)極易引起數(shù)值求解的不穩(wěn)定,難以獲得合理穩(wěn)定解數(shù)值求解的穩(wěn)定性;
可能存在的空化現(xiàn)象模擬:部分超高壓閥門內(nèi)為液體介質(zhì),在閥門運(yùn)動(dòng)過程中極易引起空化現(xiàn)象的產(chǎn)生,涉及超高壓過程的兩相流計(jì)算,計(jì)算難度和穩(wěn)定性均是極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

超高壓閥門流體分析解決方案

對(duì)于上述簡(jiǎn)述的超高壓閥門的流體問題分析,引進(jìn)專業(yè)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械仿真工具PumpLinx無疑是最好選擇,PumpLinx在超高壓閥門分析領(lǐng)域已取得較多成功案例,其具備的優(yōu)勢(shì)方案如下:

PumpLinx的閥門關(guān)死模型?？梢詼?zhǔn)確模擬閥門開啟/關(guān)閉過程的仿真,確保閥門的無泄漏分析;
PumpLinx的自由度模型可以快速建立閥門運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程。PumpLinx內(nèi)置有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度模型,只需分析人員輸入基本的運(yùn)行參數(shù),即可自動(dòng)構(gòu)建動(dòng)力學(xué)模型,且無需任何的開發(fā)工作;

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圖2 平動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)自由度模型

PumpLinx內(nèi)置的閥門模板則可以完美解決閥門CFD分析的網(wǎng)格創(chuàng)建和動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置問題。PumpLinx內(nèi)置的閥門模板可以自動(dòng)構(gòu)建閥門運(yùn)動(dòng)區(qū)域的高質(zhì)量網(wǎng)格,且適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的各類閥門,如截止閥、止回閥、安全閥和調(diào)節(jié)閥等,對(duì)于閥門分析的一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)或閥門間隙也具備專門的網(wǎng)格技術(shù)。閥門模板可自動(dòng)與自由度模型建立聯(lián)系,根據(jù)閥門自由度計(jì)算結(jié)果自動(dòng)調(diào)整網(wǎng)格運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)閥門的動(dòng)態(tài)仿真;

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圖3 針閥模型

數(shù)值求解的穩(wěn)定性:PumpLinx可以對(duì)求解設(shè)置做一定的二次開發(fā)或調(diào)試,使超高壓閥門的計(jì)算過程更容易趨于穩(wěn)定,且該方法已在多個(gè)案例中得到驗(yàn)證;對(duì)于其他中低壓閥門則無需任何的調(diào)試工作;
可能存在的空化現(xiàn)象模擬:PumpLinx內(nèi)置的全空化數(shù)值模型在空化問題的分析研究方面已得到大量驗(yàn)證,不僅具備良好的收斂穩(wěn)定性,計(jì)算精度也具備較多的實(shí)例驗(yàn)證。

圖4 閥門空化模擬

案例介紹

超高壓閥門案例1

如下為某壓力高達(dá)200-300MPa燃油噴射閥的分析案例,PumpLinx不僅可以對(duì)單個(gè)閥門進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,對(duì)于多個(gè)閥門組成的系統(tǒng)也可以進(jìn)行模擬分析。

圖5 閥門壓力分布

圖6 閥門運(yùn)動(dòng)位移監(jiān)測(cè)

圖7 多組閥門壓力預(yù)測(cè)

超高壓閥門案例2

如下為采用PumpLinx對(duì)某壓力高達(dá)300MPa的閥門進(jìn)行從關(guān)閉到開啟,并最終穩(wěn)定在某一位置的動(dòng)態(tài)過程模擬。PumpLinx的全關(guān)模型可以準(zhǔn)確模擬閥門的全關(guān)狀態(tài),同時(shí)分析閥門在該受力條件下的最終開度和流量,為閥門的流量特性預(yù)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

圖8 超高壓閥門開啟到穩(wěn)定過程模擬

其他閥門案例簡(jiǎn)介

PumpLinx不僅可以應(yīng)用在超高壓閥門的流體分析,同樣更適用于其他不同類型的閥門動(dòng)態(tài)特性分析,如下為部分典型案例:

某帶空程閥門的運(yùn)動(dòng)過程分析:PumpLinx可對(duì)閥門空程運(yùn)動(dòng)過程以及接觸后閥體一起運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬分析,對(duì)于接觸過程中的碰撞損失以及接觸分離后的自由運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。

圖9 空程閥門閥桿接觸前、接觸中、分離后過程模擬

某電磁閥的響應(yīng)模擬:閥門在運(yùn)動(dòng)過程中,除受慣性力、流體力、彈簧力、阻尼力等作用,還可能受其他外力作用,如電磁力。不同的電磁脈沖對(duì)于閥門的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)不一,且部分電磁閥結(jié)構(gòu)精密,如需獲得精確結(jié)果,需要最大程度還原閥門原始結(jié)構(gòu),并構(gòu)建精細(xì)化網(wǎng)格。如下為最大開度為0.3mm的某電磁閥的響應(yīng)模擬,響應(yīng)時(shí)間均為ms級(jí)別,PumpLinx結(jié)果與相關(guān)數(shù)據(jù)吻合良好。

圖10 電磁閥壓力變化

圖11 電磁閥受電磁力后的響應(yīng)模擬(位移變化)

某止回閥的流量特性驗(yàn)證:止回閥是指依靠介質(zhì)本身流動(dòng)而自動(dòng)開、閉閥瓣,用來防止介質(zhì)倒流的閥門。止回閥在不同的壓差條件下,閥瓣會(huì)穩(wěn)定在某一開度,起到調(diào)節(jié)流量的作用。如下即為PumpLinx對(duì)某一軸流止回閥的流量-壓差特性進(jìn)行模擬驗(yàn)證的案例,PumpLinx的自由度模型和閥門模板對(duì)于止回閥的開度和流量模擬具有很好的效果。

圖12 閥門壓力分布

圖13 閥門流量特性驗(yàn)證

旋轉(zhuǎn)閥與滑閥聯(lián)合模擬:旋轉(zhuǎn)閥顧名思義為旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)式閥門,例如旋啟式止回閥,扭簧閥等。旋轉(zhuǎn)閥與滑閥聯(lián)合作用時(shí),滑閥運(yùn)動(dòng)會(huì)影響旋轉(zhuǎn)閥的擺動(dòng),從而控制閥門的整體運(yùn)動(dòng)。如下為某聯(lián)合作用的燃?xì)忾y門,不同的進(jìn)氣條件決定滑閥的運(yùn)動(dòng),從而控制擺閥的最終運(yùn)動(dòng)。

圖14 燃?xì)忾y進(jìn)氣條件

圖15 燃?xì)忾y響應(yīng)規(guī)律

小結(jié)

PumpLinx的優(yōu)勢(shì)解決方案不僅可以解決各類閥門的流固耦合運(yùn)動(dòng)分析,同時(shí)降低了仿真的難度,提高了分析效率,并具有高精度的計(jì)算結(jié)果;
可應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)的閥門,無論是簡(jiǎn)單的球閥、滑閥、截止閥、排氣閥和蝶閥等,還是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的超高壓閥門、調(diào)節(jié)閥門、控制閥門、泵閥聯(lián)合或是閥門控制系統(tǒng)均能較好適應(yīng);
計(jì)算效率高,后處理數(shù)據(jù)提取便捷且數(shù)據(jù)完備?？稍诙潭處滋鞎r(shí)間內(nèi)獲得閥門的初步性能結(jié)果,并自動(dòng)輸出位移、速度、各部分受力、流量、壓力、響應(yīng)曲線等數(shù)據(jù),為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

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