【技術分享】超高壓閥門CFD分析方法

2017-03-31 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

背景描述

閥門按壓力分類,當公稱壓力PN大于100MPa的閥門即稱為超高壓閥門。超高壓技術在柴油發(fā)動機、新興的氫動力汽車行業(yè)、航天航空復合材料、陶瓷、高強度工程塑料、軍工特種材料等研究領域被廣泛應用。在超高壓系統(tǒng)卸壓速度控制中,超高壓卸壓閥起著關鍵性作用。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。閥門的流量特性是高精度超高壓閥門設計的關鍵。通過CFD方法準確預測超高壓閥門的流量特性,不僅可以為超高壓閥門設計提供優(yōu)化依據(jù),同時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分析技術關注點

超高壓閥門的CFD分析不僅涉及到高達幾百兆的壓差條件,同時閥門的開啟/關閉特性以及工作過程中的動態(tài)變化對于閥門的流體分析而言,均具有較大的技術挑戰(zhàn)性。從流體數(shù)值分析的角度出發(fā),對于超高壓閥門的流固耦合動態(tài)分析存在的技術關鍵點有以下幾個方面:

閥門的關死問題:由于超高壓閥門前后壓差太大,如果分析時不能對閥門關死做處理,即使閥門關閉間隙很小,仍然會造成較大的流量泄露,引起計算結果的誤差偏大;
閥門運動的動力學模型建立:超高壓閥門在運動過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,如何準確構建閥門運動的動力學方程,是超高壓閥門動態(tài)流體特性分析的前提條件;
閥門運動的高質量網格建立和動網格設置:由于閥門的開啟/關閉以及運動過程均涉及運動,必須構建高質量的網格模型才能確保在分析時不出現(xiàn)負網格,且保證結果的精度;隨著閥門動態(tài)仿真的進行,對于閥門動網格的設置也是難點之一,以往均需要采用二次開發(fā)的形式實現(xiàn);
數(shù)值求解的穩(wěn)定性:在閥門前后壓差高達幾百兆帕的條件下,進行CFD非定常求解時極易引起數(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:部分超高壓閥門內為液體介質,在閥門運動過程中極易引起空化現(xiàn)象的產生,涉及超高壓過程的兩相流計算,計算難度和穩(wěn)定性均是極大的技術挑戰(zhàn)。

超高壓閥門流體分析解決方案

對于上述簡述的超高壓閥門的流體問題分析,引進專業(yè)的運動機械仿真工具PumpLinx無疑是最好選擇,PumpLinx在超高壓閥門分析領域已取得較多成功案例,其具備的優(yōu)勢方案如下:

PumpLinx的閥門關死模型。可以準確模擬閥門開啟/關閉過程的仿真,確保閥門的無泄漏分析;
PumpLinx的自由度模型可以快速建立閥門運動的動力學方程。PumpLinx內置有平動和轉動的自由度模型,只需分析人員輸入基本的運行參數(shù),即可自動構建動力學模型,且無需任何的開發(fā)工作;

圖2 平動/轉動自由度模型

PumpLinx內置的閥門模板則可以完美解決閥門CFD分析的網格創(chuàng)建和動網格設置問題。PumpLinx內置的閥門模板可以自動構建閥門運動區(qū)域的高質量網格,且適用于結構復雜的各類閥門,如截止閥、止回閥、安全閥和調節(jié)閥等,對于閥門分析的一些結構細節(jié)或閥門間隙也具備專門的網格技術。閥門模板可自動與自由度模型建立聯(lián)系,根據(jù)閥門自由度計算結果自動調整網格運動,實現(xiàn)閥門的動態(tài)仿真;

圖3 針閥模型

數(shù)值求解的穩(wěn)定性:PumpLinx可以對求解設置做一定的二次開發(fā)或調試,使超高壓閥門的計算過程更容易趨于穩(wěn)定,且該方法已在多個案例中得到驗證;對于其他中低壓閥門則無需任何的調試工作;
可能存在的空化現(xiàn)象模擬:PumpLinx內置的全空化數(shù)值模型在空化問題的分析研究方面已得到大量驗證,不僅具備良好的收斂穩(wěn)定性,計算精度也具備較多的實例驗證。

圖4 閥門空化模擬

案例介紹

超高壓閥門案例1

如下為某壓力高達200-300MPa燃油噴射閥的分析案例,PumpLinx不僅可以對單個閥門進行動態(tài)分析,對于多個閥門組成的系統(tǒng)也可以進行模擬分析。

圖5 閥門壓力分布

圖6 閥門運動位移監(jiān)測

圖7 多組閥門壓力預測

超高壓閥門案例2

如下為采用PumpLinx對某壓力高達300MPa的閥門進行從關閉到開啟,并最終穩(wěn)定在某一位置的動態(tài)過程模擬。PumpLinx的全關模型可以準確模擬閥門的全關狀態(tài),同時分析閥門在該受力條件下的最終開度和流量,為閥門的流量特性預估和優(yōu)化設計提供理論指導。

圖8 超高壓閥門開啟到穩(wěn)定過程模擬

其他閥門案例簡介

PumpLinx不僅可以應用在超高壓閥門的流體分析,同樣更適用于其他不同類型的閥門動態(tài)特性分析,如下為部分典型案例:

某帶空程閥門的運動過程分析:PumpLinx可對閥門空程運動過程以及接觸后閥體一起運動過程進行模擬分析,對于接觸過程中的碰撞損失以及接觸分離后的自由運動過程進行準確模擬。

圖9 空程閥門閥桿接觸前、接觸中、分離后過程模擬

某電磁閥的響應模擬:閥門在運動過程中,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。不同的電磁脈沖對于閥門的運動響應不一,且部分電磁閥結構精密,如需獲得精確結果,需要最大程度還原閥門原始結構,并構建精細化網格。如下為最大開度為0.3mm的某電磁閥的響應模擬,響應時間均為ms級別,PumpLinx結果與相關數(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模擬(位移變化)

某止回閥的流量特性驗證:止回閥是指依靠介質本身流動而自動開、閉閥瓣,用來防止介質倒流的閥門。止回閥在不同的壓差條件下,閥瓣會穩(wěn)定在某一開度,起到調節(jié)流量的作用。如下即為PumpLinx對某一軸流止回閥的流量-壓差特性進行模擬驗證的案例,PumpLinx的自由度模型和閥門模板對于止回閥的開度和流量模擬具有很好的效果。

圖12 閥門壓力分布

圖13 閥門流量特性驗證

旋轉閥與滑閥聯(lián)合模擬:旋轉閥顧名思義為旋轉擺動式閥門,例如旋啟式止回閥,扭簧閥等。旋轉閥與滑閥聯(lián)合作用時,滑閥運動會影響旋轉閥的擺動,從而控制閥門的整體運動。如下為某聯(lián)合作用的燃氣閥門,不同的進氣條件決定滑閥的運動,從而控制擺閥的最終運動。

圖14 燃氣閥進氣條件

圖15 燃氣閥響應規(guī)律

小結

PumpLinx的優(yōu)勢解決方案不僅可以解決各類閥門的流固耦合運動分析,同時降低了仿真的難度,提高了分析效率,并具有高精度的計算結果;
可應用于不同結構的閥門,無論是簡單的球閥、滑閥、截止閥、排氣閥和蝶閥等,還是結構復雜的超高壓閥門、調節(jié)閥門、控制閥門、泵閥聯(lián)合或是閥門控制系統(tǒng)均能較好適應;
計算效率高,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間內獲得閥門的初步性能結果,并自動輸出位移、速度、各部分受力、流量、壓力、響應曲線等數(shù)據(jù),為優(yōu)化設計提供參考。

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