【技術(shù)分享】超高壓閥門(mén)CFD分析方法

2017-03-31  by:CAE仿真在線(xiàn)  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

背景描述

閥門(mén)按壓力分類(lèi),當(dāng)公稱(chēng)壓力PN大于100MPa的閥門(mén)即稱(chēng)為超高壓閥門(mén)。超高壓技術(shù)在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、新興的氫動(dòng)力汽車(chē)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(mén)的流量特性是高精度超高壓閥門(mén)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。通過(guò)CFD方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)超高壓閥門(mén)的流量特性,不僅可以為超高壓閥門(mén)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)。

圖1 超高壓安全閥

CFD分析技術(shù)關(guān)注點(diǎn)

超高壓閥門(mén)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(mén)的開(kāi)啟/關(guān)閉特性以及工作過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化對(duì)于閥門(mén)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(mén)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(mén)的關(guān)死問(wèn)題:由于超高壓閥門(mén)前后壓差太大,如果分析時(shí)不能對(duì)閥門(mén)關(guān)死做處理,即使閥門(mén)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(mén)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型建立:超高壓閥門(mén)在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(mén)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程,是超高壓閥門(mén)動(dòng)態(tài)流體特性分析的前提條件;

• 閥門(mén)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(mén)的開(kāi)啟/關(guān)閉以及運(yùn)動(dòng)過(guò)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(mén)動(dòng)態(tài)仿真的進(jìn)行,對(duì)于閥門(mén)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(kāi)發(fā)的形式實(shí)現(xiàn);

• 數(shù)值求解的穩(wěn)定性:在閥門(mén)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(mén)內(nèi)為液體介質(zhì),在閥門(mén)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中極易引起空化現(xiàn)象的產(chǎn)生,涉及超高壓過(guò)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(mén)流體分析解決方案

對(duì)于上述簡(jiǎn)述的超高壓閥門(mén)的流體問(wèn)題分析,引進(jìn)專(zhuān)業(yè)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械仿真工具PumpLinx無(wú)疑是最好選擇,PumpLinx在超高壓閥門(mén)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(mén)關(guān)死模型?？梢詼?zhǔn)確模擬閥門(mén)開(kāi)啟/關(guān)閉過(guò)程的仿真,確保閥門(mén)的無(wú)泄漏分析;

• PumpLinx的自由度模型可以快速建立閥門(mén)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(wú)需任何的開(kāi)發(fā)工作;

圖2 平動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)自由度模型

• PumpLinx內(nèi)置的閥門(mén)模板則可以完美解決閥門(mén)CFD分析的網(wǎng)格創(chuàng)建和動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置問(wèn)題。PumpLinx內(nèi)置的閥門(mén)模板可以自動(dòng)構(gòu)建閥門(mén)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(lèi)閥門(mén),如截止閥、止回閥、安全閥和調(diào)節(jié)閥等,對(duì)于閥門(mén)分析的一些結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)或閥門(mén)間隙也具備專(zhuān)門(mén)的網(wǎng)格技術(shù)。閥門(mén)模板可自動(dòng)與自由度模型建立聯(lián)系,根據(jù)閥門(mén)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(mén)的動(dòng)態(tài)仿真;

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(kāi)發(fā)或調(diào)試,使超高壓閥門(mén)的計(jì)算過(guò)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(mén)則無(wú)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(wèn)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(mén)空化模擬

案例介紹

• 超高壓閥門(mén)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(mén)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析,對(duì)于多個(gè)閥門(mén)組成的系統(tǒng)也可以進(jìn)行模擬分析。

圖5 閥門(mén)壓力分布

圖6 閥門(mén)運(yùn)動(dòng)位移監(jiān)測(cè)

圖7 多組閥門(mén)壓力預(yù)測(cè)

• 超高壓閥門(mén)案例2

如下為采用PumpLinx對(duì)某壓力高達(dá)300MPa的閥門(mén)進(jìn)行從關(guān)閉到開(kāi)啟,并最終穩(wěn)定在某一位置的動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬。PumpLinx的全關(guān)模型可以準(zhǔn)確模擬閥門(mén)的全關(guān)狀態(tài),同時(shí)分析閥門(mén)在該受力條件下的最終開(kāi)度和流量,為閥門(mén)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(mén)開(kāi)啟到穩(wěn)定過(guò)程模擬

• 其他閥門(mén)案例簡(jiǎn)介

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

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

圖9 空程閥門(mén)閥桿接觸前、接觸中、分離后過(guò)程模擬

• 某電磁閥的響應(yīng)模擬:閥門(mén)在運(yùn)動(dòng)過(guò)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(mén)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(mén)原始結(jié)構(gòu),并構(gòu)建精細(xì)化網(wǎng)格。如下為最大開(kāi)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(kāi)、閉閥瓣,用來(lái)防止介質(zhì)倒流的閥門(mén)。止回閥在不同的壓差條件下,閥瓣會(huì)穩(wěn)定在某一開(kāi)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(mén)模板對(duì)于止回閥的開(kāi)度和流量模擬具有很好的效果。

圖12 閥門(mén)壓力分布

圖13 閥門(mén)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(mén),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(mén)的整體運(yùn)動(dòng)。如下為某聯(lián)合作用的燃?xì)忾y門(mén),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(lèi)閥門(mén)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(mén),無(wú)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(mén)、調(diào)節(jié)閥門(mén)、控制閥門(mén)、泵閥聯(lián)合或是閥門(mén)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(mén)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(xiàn)等數(shù)據(jù),為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

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