減壓閥動(dòng)態(tài)特性數(shù)值模擬和故障分析

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1、減壓閥動(dòng)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(xué)航空航天學(xué)院遼寧大連116024)摘要：采用ANSYS有限元軟件計(jì)算得到減壓閥膜片的反力時(shí)程曲線和運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)態(tài)特性，在此基礎(chǔ)上將結(jié)構(gòu)簡化為兩個(gè)單自由度質(zhì)量彈簧阻尼動(dòng)力學(xué)模型，采用Newmark算法計(jì)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(dòng)網(wǎng)格有限體積格式求解，應(yīng)用了新的離散幾何守恒律和高精度界面算法；同時(shí)采用虛擬網(wǎng)格通氣技術(shù)實(shí)現(xiàn)閥門部件運(yùn)動(dòng)過程所引起的拓?fù)渥兓?。?jì)算表明，在較寬

2、的上游增壓速率范圍內(nèi)減壓閥出口壓力存在振蕩，均值接近按照靜態(tài)性能設(shè)計(jì)的理論值。通過對計(jì)算流場進(jìn)行分析，確定了造成兩種開啟故障的主要機(jī)理，修改模型參數(shù)可以排除異常。關(guān)鍵詞：減壓閥；流固耦合；非結(jié)構(gòu)動(dòng)網(wǎng)格；壓力振蕩；動(dòng)態(tài)特性中圖分類號(hào)：O354;V435文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：7引言減壓閥通過其內(nèi)部構(gòu)件調(diào)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(shè)計(jì)流程中主要考慮靜態(tài)性能，目前已有比較成熟的計(jì)算方法能夠預(yù)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(shí)驗(yàn)方

3、法進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究，由于閥門內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積小，很難進(jìn)行數(shù)據(jù)測量工作，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)往往只能給出總體性能是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的定性結(jié)論[3]。近年來有許多學(xué)者采用數(shù)值仿真手段開展閥門研究，根據(jù)前期調(diào)研情況看，對液體閥門管路系統(tǒng)中產(chǎn)生的水錘、空化、氣蝕等現(xiàn)象進(jìn)行仿真研究相對較多；而氣體管路系統(tǒng)中也會(huì)出現(xiàn)所謂的“氣柱振蕩”現(xiàn)象，在上世紀(jì)70年代以后逐漸引起學(xué)術(shù)界關(guān)注，利用這種共振產(chǎn)生激波進(jìn)行能量傳導(dǎo)可用于制冷[4-6]。減壓閥的減壓功能主要依靠調(diào)整流道最小截面產(chǎn)生壅塞來實(shí)現(xiàn)，由于氣體可壓縮性強(qiáng)、聲速較低，在閥門內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中流動(dòng)時(shí)常會(huì)形成激波

4、等超聲速流動(dòng)現(xiàn)象。文獻(xiàn)[7、8]通過數(shù)值模擬得到的結(jié)論可以看出，由于閥門的限流作用，內(nèi)部流場中形成的激波導(dǎo)致了氣動(dòng)載荷劇烈變化，這是美國Stennes航天中心(SSC)在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試車過程中穩(wěn)壓閥出現(xiàn)故障的主要原因。文獻(xiàn)[9、10]進(jìn)行固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)壓閥的數(shù)值模擬時(shí)也發(fā)現(xiàn)存在馬赫數(shù)高達(dá)4的局部區(qū)域。由于流場內(nèi)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(dòng)建立的算法不再適用，需要在弱解理論指導(dǎo)下發(fā)展能夠捕捉激波的新方法。除此之外，閥門內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成、啟閉引起的空間拓?fù)渥兓⒚枋鲞\(yùn)動(dòng)部件的網(wǎng)格技術(shù)、流固耦合的

5、界面算法、計(jì)算結(jié)果的驗(yàn)證等問題也是數(shù)值模擬應(yīng)用于閥門動(dòng)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(jié)構(gòu)示意圖。低壓腔與出口管路相連接，其下方密封膜片盒內(nèi)的主彈簧K1使膜片K2向上變形，推動(dòng)閥芯M02向上運(yùn)動(dòng)，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(shí)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(yùn)動(dòng)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(yù)定值，作用在膜片的氣動(dòng)力破壞彈簧K1、K2和K3之間受力平衡，推動(dòng)膜片向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)閥芯使縫隙變窄，減少進(jìn)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(yù)定值，氣動(dòng)力推動(dòng)閥芯使縫隙變寬，更多氣體進(jìn)入低壓腔導(dǎo)致壓力升高，這是實(shí)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(dòng)，采用閥芯與膜片中心落座可以分離的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如果膜片向下運(yùn)動(dòng)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(guān)閉，該流通面的流量為0。同時(shí)為了避免膜片回彈過量，膜片盒內(nèi)設(shè)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(jìn)入卸荷腔進(jìn)而影響閥芯受到的氣動(dòng)載荷，為此閥芯中間開孔與低壓腔相通，即使閥門完全關(guān)閉也存在一定流

7、量。7圖1減壓器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematicofpressurereliefvalve基于“虛擬現(xiàn)實(shí)”的優(yōu)勢，本文通過數(shù)值模擬的方法預(yù)測這種減壓閥開啟過程的動(dòng)態(tài)特性，分析設(shè)計(jì)參數(shù)的影響機(jī)理，進(jìn)而為工藝流程控制和產(chǎn)品檢驗(yàn)提供依據(jù)。1結(jié)構(gòu)有限元模擬盡管在結(jié)構(gòu)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(jì)算模型，但這些模型都是針對不可壓流動(dòng)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(nèi)部運(yùn)動(dòng)簡化為如下兩個(gè)單自由度的質(zhì)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(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)方程如下：(1)式中，膜片質(zhì)量，主彈簧剛度、質(zhì)量、預(yù)壓縮量。膜片運(yùn)動(dòng)中，調(diào)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：