資源描述：
《減壓閥動態(tài)特性數(shù)值模擬和故障分析》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關內容在工程資料-天天文庫。
1、減壓閥動態(tài)特性的數(shù)值模擬及故障分析劉君，董海波，徐春光(大連理工大學航空航天學院遼寧大連116024)摘要：采用ANSYS有限元軟件計算得到減壓閥膜片的反力時程曲線和運動部件的動態(tài)特性，在此基礎上將結構簡化為兩個單自由度質量彈簧阻尼動力學模型，采用Newmark算法計算。流體控制方程為三維非定常積分形式的ALE(ArbitraryLagrangianEulerian)方程，采用基于彈簧近似的動網(wǎng)格有限體積格式求解，應用了新的離散幾何守恒律和高精度界面算法；同時采用虛擬網(wǎng)格通氣技術實現(xiàn)閥門部件運動過程所引起的拓撲變化。計算表明，在較寬
2、的上游增壓速率范圍內減壓閥出口壓力存在振蕩，均值接近按照靜態(tài)性能設計的理論值。通過對計算流場進行分析，確定了造成兩種開啟故障的主要機理，修改模型參數(shù)可以排除異常。關鍵詞：減壓閥；流固耦合；非結構動網(wǎng)格；壓力振蕩；動態(tài)特性中圖分類號：O354;V435文獻標識碼：A文章編號：7引言減壓閥通過其內部構件調節(jié)管路系統(tǒng)的流量和壓力，使上游的高壓氣體在下游出口處維持相對穩(wěn)定的低壓。傳統(tǒng)設計流程中主要考慮靜態(tài)性能，目前已有比較成熟的計算方法能夠預測減壓閥穩(wěn)定工作狀態(tài)下的出口壓力和流量特性[1-2]。由于分析手段有限，通常情況下只能依靠樣品實驗方
3、法進行動態(tài)特性研究，由于閥門內部結構復雜、體積小，很難進行數(shù)據(jù)測量工作，動態(tài)試驗往往只能給出總體性能是否滿足設計指標的定性結論[3]。近年來有許多學者采用數(shù)值仿真手段開展閥門研究，根據(jù)前期調研情況看，對液體閥門管路系統(tǒng)中產生的水錘、空化、氣蝕等現(xiàn)象進行仿真研究相對較多；而氣體管路系統(tǒng)中也會出現(xiàn)所謂的“氣柱振蕩”現(xiàn)象，在上世紀70年代以后逐漸引起學術界關注，利用這種共振產生激波進行能量傳導可用于制冷[4-6]。減壓閥的減壓功能主要依靠調整流道最小截面產生壅塞來實現(xiàn)，由于氣體可壓縮性強、聲速較低，在閥門內部復雜的結構中流動時常會形成激波
4、等超聲速流動現(xiàn)象。文獻[7、8]通過數(shù)值模擬得到的結論可以看出，由于閥門的限流作用，內部流場中形成的激波導致了氣動載荷劇烈變化，這是美國Stennes航天中心(SSC)在火箭發(fā)動機試車過程中穩(wěn)壓閥出現(xiàn)故障的主要原因。文獻[9、10]進行固體火箭發(fā)動機調壓閥的數(shù)值模擬時也發(fā)現(xiàn)存在馬赫數(shù)高達4的局部區(qū)域。由于流場內存在激波，常用的商業(yè)軟件中SIMPLE或PISO等基于不可壓縮流動建立的算法不再適用，需要在弱解理論指導下發(fā)展能夠捕捉激波的新方法。除此之外，閥門內部復雜結構網(wǎng)格生成、啟閉引起的空間拓撲變化、描述運動部件的網(wǎng)格技術、流固耦合的
5、界面算法、計算結果的驗證等問題也是數(shù)值模擬應用于閥門動態(tài)性能分析遇到的挑戰(zhàn)。圖1是一種膜片式減壓閥的結構示意圖。低壓腔與出口管路相連接，其下方密封膜片盒內的主彈簧K1使膜片K2向上變形，推動閥芯M02向上運動，在閥芯和閥口(下限位K5)之間形成流通面，高壓腔和低壓腔之間的壓差在該處形成壅塞實現(xiàn)降壓功能。閥芯和閥座頂蓋之間的副彈簧K3和上限位K6控制閥芯運動規(guī)律，因此流通面大小受很多因素所決定。如果出口壓力超過預定值，作用在膜片的氣動力破壞彈簧K1、K2和K3之間受力平衡，推動膜片向下運動，帶動閥芯使縫隙變窄，減少進入低壓腔的氣體流量
6、，致使壓力降低；反之，如果出口壓力小于預定值，氣動力推動閥芯使縫隙變寬，更多氣體進入低壓腔導致壓力升高，這是實現(xiàn)其穩(wěn)壓的原理。為了避免高壓沖擊載荷引起的下游波動，采用閥芯與膜片中心落座可以分離的結構設計，如果膜片向下運動位移大于下限位K5，膜片脫離閥芯，副彈簧K3使得閥芯和閥口完全貼合，閥門完全關閉，該流通面的流量為0。同時為了避免膜片回彈過量，膜片盒內設置了下限位K4。閥芯和上限位K6之間的空腔稱為卸荷腔，閥芯和閥座之間縫隙使得高壓氣體進入卸荷腔進而影響閥芯受到的氣動載荷，為此閥芯中間開孔與低壓腔相通，即使閥門完全關閉也存在一定流
7、量。7圖1減壓器結構示意圖Fig.1Schematicofpressurereliefvalve基于“虛擬現(xiàn)實”的優(yōu)勢，本文通過數(shù)值模擬的方法預測這種減壓閥開啟過程的動態(tài)特性，分析設計參數(shù)的影響機理，進而為工藝流程控制和產品檢驗提供依據(jù)。1結構有限元模擬盡管在結構分析中常用ANSYS、FLUENT等商用軟件，這些軟件中也包含流體單元的計算模型，但這些模型都是針對不可壓流動方程建立，不適用于氣體減壓閥。由于ANSYS軟件和流場求解器之間存在耦合問題，本文把減壓閥內部運動簡化為如下兩個單自由度的質量彈簧模型。如圖1示意，在閥芯與膜片的分
8、離面處將閥門結構分為上下兩部分。膜片系統(tǒng)的位移變量采用表示，方向向上為正，運動方程如下：(1)式中，膜片質量，主彈簧剛度、質量、預壓縮量。膜片運動中，調整塊與下限位碰撞過程采用“接觸→壓縮→回彈→脫離”非線性彈簧模型，彈簧剛度表示為：
