不同彈簧剛度系數(shù)下單向閥關閉過程仿真分析

1 前言

奧孚研發(fā)團隊，利用 FLUENT 軟件中動網(wǎng)格技術對單向閥關閉過程進行了數(shù)值仿真，得到了在不同彈簧剛度系數(shù)作用下，閥芯的關閉速度，關閉的總時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成。當上游壓力高于下游壓力一定值時，閥門開啟;當下游壓力高于上游壓力一定值時，閥門關閉。根據(jù)單向閥只允許流體介質(zhì)沿一個方向流動的特點，在石油、化工、核工業(yè)、水電等行業(yè)得到了廣泛的應用。同時，流體流經(jīng)閥芯時，與閥芯之間的相互作用問題為流固耦合振動問題。在開啟或關閉過程中，閥芯周圍的流場變化劇烈，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者的興趣，這使得單向閥的設計及應用都得到了極大的發(fā)展。

奧孚研發(fā)人員動態(tài)模擬了單向閥在不同彈簧剛度系數(shù)時的開啟過程，得到了開啟過程中閥芯的位移及運動規(guī)律。根據(jù)非線性彈簧質(zhì)量系統(tǒng)相關理論建立了氣體介質(zhì)單向閥的數(shù)學模型，對單向閥充氣共振現(xiàn)象進行了分析，得到了不同閥門在不同開度下的流場分布。研究了單向閥作為配流閥時，彈簧剛度系數(shù)與預緊力的關系，得到了單向閥開啟時閥芯的運動曲線呈紡錘形。我們采用試驗方法研究了單向閥關閉時的密封性能，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。單向閥關閉時要求反向的泄漏率要小，關閉速度要適中，閉合時可靠性高，且無振動、沖擊或噪聲，其中單向閥無振動、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，當彈簧剛度設計不合理時，可能導致單向閥發(fā)生喘振、關閉滯后等現(xiàn)象。基于此本文采用Fluent 軟件的動網(wǎng)格技術，對不同彈簧剛度系數(shù)下的單向閥的關閉過程進行了仿真，其結果可為單向閥的彈簧剛度設計提供依據(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，其流道為軸對稱的，為減少計算工作量，將流道簡化為二維對稱模型，并將模型分為網(wǎng)格運動區(qū)域與網(wǎng)格靜止區(qū)域兩個部分，通過建立交界面(interface)進行對接

2.2 網(wǎng)格劃分

采用四邊形非結構網(wǎng)格進行離散。由于閉合過程中，閥芯的位置是運動的，須采用動網(wǎng)格計算進行模擬，因此將流體區(qū)域分為兩個部分，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)域為靜止區(qū)域。

2.3 流體計算假設及邊界條件

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

2.4 動網(wǎng)格技術及閥芯運動方程

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

3 計算結果與分析

3.1 關閉位移時間關系

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

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

3.2彈簧剛度與壓差關系

表1不同彈簧剛度下完全關閉時壓差

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

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

(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)負壓區(qū)域大小有關。