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奥孚对不同弹簧刚度系数下单向阀关闭过程仿真分析

作者:superadmin 时间:2022-04-19 15:16:02

不同弹簧刚度系数下单向阀关闭过程仿真分析

1 前言

奥孚研发团队,利用 FLUENT 软件中动网格技术对单向阀关闭过程进行了数值仿真,得到了在不同弹簧刚度系数作用下,阀芯的关闭速度,关闭的总时间以及阀芯前后的压差情况。

单向阀主要由弹簧、阀芯和密封口等部件构成。当上游压力高于下游压力一定值时,阀门开启;当下游压力高于上游压力一定值时,阀门关闭。根据单向阀只允许流体介质沿一个方向流动的特点,在石油、化工、核工业、水电等行业得到了广泛的应用。同时,流体流经阀芯时,与阀芯之间的相互作用问题为流固耦合振动问题。在开启或关闭过程中,阀芯周围的流场变化剧烈,由此产生的水击压力是不容忽视的,此问题吸引了广大学者的兴趣,这使得单向阀的设计及应用都得到了极大的发展。

奥孚研发人员动态模拟了单向阀在不同弹簧刚度系数时的开启过程,得到了开启过程中阀芯的位移及运动规律。根据非线性弹簧质量系统相关理论建立了气体介质单向阀的数学模型,对单向阀充气共振现象进行了分析,得到了不同阀门在不同开度下的流场分布。研究了单向阀作为配流阀时,弹簧刚度系数与预紧力的关系,得到了单向阀开启时阀芯的运动曲线呈纺锤形。我们采用试验方法研究了单向阀关闭时的密封性能,得到了弹簧刚度系数是影响单向阀密封锥座蠕变变形重要原因。单向阀关闭时要求反向的泄漏率要小,关闭速度要适中,闭合时可靠性高,且无振动、冲击或噪声,其中单向阀无振动、冲击或噪声是单向阀的重要性能要求之一。影响单向阀这一性能的主要因素之一就是单向阀的弹簧刚度,当弹簧刚度设计不合理时,可能导致单向阀发生喘振、关闭滞后等现象。基于此本文采用Fluent 软件的动网格技术,对不同弹簧刚度系数下的单向阀的关闭过程进行了仿真,其结果可为单向阀的弹簧刚度设计提供依据。

2 单向阀模型的建立

2.1 单向阀流道的几何模型

流体流经单向阀时,其流道为轴对称的,为减少计算工作量,将流道简化为二维对称模型,并将模型分为网格运动区域与网格静止区域两个部分,通过建立交界面(interface)进行对接

2.2 网格划分

采用四边形非结构网格进行离散。由于闭合过程中,阀芯的位置是运动的,须采用动网格计算进行模拟,因此将流体区域分为两个部分,即网格变化区域与网格静止区域。其中分界线右方为网格变化区域,其余区域为静止区域。

2.3 流体计算假设及边界条件

不考虑管内流体的压缩性,假设为牛顿流体。单向阀在关闭过程中阀口处速度较大,为高雷诺数湍流, 故采用经典的标准k-ε 湍流模型。

2.4 动网格技术及阀芯运动方程

动网格的更新主要有以下3 种方式: 弹簧近似光滑法(spring-based smoothing)、动态分层法(dynamic layering) 和局部网格重划法(local remeshing)。由于单向阀运动的方向可近似看作是直线运动,所以本文选定动态分层法。小开度下阀芯前端部分压力与速度变化相对较大,所以对阀芯前部必须进行网格细化。

3 计算结果与分析

3.1 关闭位移时间关系

在安装长度不变的情况下, 通过对刚度系数分别为11001000900 的情况进行数值仿真,得到了刚度系数与阀芯位移关系

单向阀的阀芯在关闭过程中主要受到流体压力、弹簧弹力、稳态流体液动力、粘性阻力、惯性力和瞬态流体动力等,而阀芯在静态平衡点, 即稳态时受到的主要作用力是:弹簧弹力、稳态流体液动力,且达到静力平衡状态。

3.2弹簧刚度与压差关系

1不同弹簧刚度下完全关闭时压差


弹簧刚度(N/mm)                                 阀前压强 (MPa)                                 阀后压强(MPa)                                  压差(MPa)   

900                                                   0.17                                                 0.1517                                             0.0183

1000                                                  0.2197                                             0.3141                                             -0.0944

1100                                                   0.4699                                            1.292                                              -0.8221


4 结论

(1)采用FLUENT 软件中的动网格对不同弹簧劲度单向阀关闭特性的模拟,相对于稳态模拟,更清晰地模拟出关闭时的阀芯位移,移动速度与关闭时间的关系,确定了压差与弹簧刚度的关系。

(2)通过研究不同的弹簧刚度系数,得出刚度系数与阀芯后端出现负压区域大小有关。

 


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