【技术分享】超高压阀门CFD分析方法

2017-03-31 by:CAE仿真在线来源:互联网

背景描述

阀门按压力分类,当公称压力PN大于100MPa的阀门即称为超高压阀门。超高压技术在柴油发动机、新兴的氢动力汽车行业、航天航空复合材料、陶瓷、高强度工程塑料、军工特种材料等研究领域被广泛应用。在超高压系统卸压速度控制中,超高压卸压阀起着关键性作用。在低压系统中,卸压阀前后的压力差直接决定了卸压阀的流通能力,压力差越大,流通能力越大,反之则越小。阀门的流量特性是高精度超高压阀门设计的关键。通过CFD方法准确预测超高压阀门的流量特性,不仅可以为超高压阀门设计提供优化依据,同时也可为配套的超高压控制系统提供理论依据。

图1 超高压安全阀

CFD分析技术关注点

超高压阀门的CFD分析不仅涉及到高达几百兆的压差条件,同时阀门的开启/关闭特性以及工作过程中的动态变化对于阀门的流体分析而言,均具有较大的技术挑战性。从流体数值分析的角度出发,对于超高压阀门的流固耦合动态分析存在的技术关键点有以下几个方面:

阀门的关死问题:由于超高压阀门前后压差太大,如果分析时不能对阀门关死做处理,即使阀门关闭间隙很小,仍然会造成较大的流量泄露,引起计算结果的误差偏大;
阀门运动的动力学模型建立:超高压阀门在运动过程中受到各种力的作用,如流体力、弹簧力、惯性力、阻尼力、摩擦力和其他外部施加力等,如何准确构建阀门运动的动力学方程,是超高压阀门动态流体特性分析的前提条件;
阀门运动的高质量网格建立和动网格设置:由于阀门的开启/关闭以及运动过程均涉及运动,必须构建高质量的网格模型才能确保在分析时不出现负网格,且保证结果的精度;随着阀门动态仿真的进行,对于阀门动网格的设置也是难点之一,以往均需要采用二次开发的形式实现;
数值求解的稳定性:在阀门前后压差高达几百兆帕的条件下,进行CFD非定常求解时极易引起数值求解的不稳定,难以获得合理稳定解数值求解的稳定性;
可能存在的空化现象模拟:部分超高压阀门内为液体介质,在阀门运动过程中极易引起空化现象的产生,涉及超高压过程的两相流计算,计算难度和稳定性均是极大的技术挑战。

超高压阀门流体分析解决方案

对于上述简述的超高压阀门的流体问题分析,引进专业的运动机械仿真工具PumpLinx无疑是最好选择,PumpLinx在超高压阀门分析领域已取得较多成功案例,其具备的优势方案如下:

PumpLinx的阀门关死模型。可以准确模拟阀门开启/关闭过程的仿真,确保阀门的无泄漏分析;
PumpLinx的自由度模型可以快速建立阀门运动的动力学方程。PumpLinx内置有平动和转动的自由度模型,只需分析人员输入基本的运行参数,即可自动构建动力学模型,且无需任何的开发工作;

图2 平动/转动自由度模型

PumpLinx内置的阀门模板则可以完美解决阀门CFD分析的网格创建和动网格设置问题。PumpLinx内置的阀门模板可以自动构建阀门运动区域的高质量网格,且适用于结构复杂的各类阀门,如截止阀、止回阀、安全阀和调节阀等,对于阀门分析的一些结构细节或阀门间隙也具备专门的网格技术。阀门模板可自动与自由度模型建立联系,根据阀门自由度计算结果自动调整网格运动,实现阀门的动态仿真;

图3 针阀模型

数值求解的稳定性:PumpLinx可以对求解设置做一定的二次开发或调试,使超高压阀门的计算过程更容易趋于稳定,且该方法已在多个案例中得到验证;对于其他中低压阀门则无需任何的调试工作;
可能存在的空化现象模拟:PumpLinx内置的全空化数值模型在空化问题的分析研究方面已得到大量验证,不仅具备良好的收敛稳定性,计算精度也具备较多的实例验证。

图4 阀门空化模拟

案例介绍

超高压阀门案例1

如下为某压力高达200-300MPa燃油喷射阀的分析案例,PumpLinx不仅可以对单个阀门进行动态分析,对于多个阀门组成的系统也可以进行模拟分析。

图5 阀门压力分布

图6 阀门运动位移监测

图7 多组阀门压力预测

超高压阀门案例2

如下为采用PumpLinx对某压力高达300MPa的阀门进行从关闭到开启,并最终稳定在某一位置的动态过程模拟。PumpLinx的全关模型可以准确模拟阀门的全关状态,同时分析阀门在该受力条件下的最终开度和流量,为阀门的流量特性预估和优化设计提供理论指导。

图8 超高压阀门开启到稳定过程模拟

其他阀门案例简介

PumpLinx不仅可以应用在超高压阀门的流体分析,同样更适用于其他不同类型的阀门动态特性分析,如下为部分典型案例:

某带空程阀门的运动过程分析:PumpLinx可对阀门空程运动过程以及接触后阀体一起运动过程进行模拟分析,对于接触过程中的碰撞损失以及接触分离后的自由运动过程进行准确模拟。

图9 空程阀门阀杆接触前、接触中、分离后过程模拟

某电磁阀的响应模拟:阀门在运动过程中,除受惯性力、流体力、弹簧力、阻尼力等作用,还可能受其他外力作用,如电磁力。不同的电磁脉冲对于阀门的运动响应不一,且部分电磁阀结构精密,如需获得精确结果,需要最大程度还原阀门原始结构,并构建精细化网格。如下为最大开度为0.3mm的某电磁阀的响应模拟,响应时间均为ms级别,PumpLinx结果与相关数据吻合良好。

图10 电磁阀压力变化

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图11 电磁阀受电磁力后的响应模拟(位移变化)

某止回阀的流量特性验证:止回阀是指依靠介质本身流动而自动开、闭阀瓣,用来防止介质倒流的阀门。止回阀在不同的压差条件下,阀瓣会稳定在某一开度,起到调节流量的作用。如下即为PumpLinx对某一轴流止回阀的流量-压差特性进行模拟验证的案例,PumpLinx的自由度模型和阀门模板对于止回阀的开度和流量模拟具有很好的效果。

图12 阀门压力分布

图13 阀门流量特性验证

旋转阀与滑阀联合模拟:旋转阀顾名思义为旋转摆动式阀门,例如旋启式止回阀,扭簧阀等。旋转阀与滑阀联合作用时,滑阀运动会影响旋转阀的摆动,从而控制阀门的整体运动。如下为某联合作用的燃气阀门,不同的进气条件决定滑阀的运动,从而控制摆阀的最终运动。

图14 燃气阀进气条件

图15 燃气阀响应规律

小结

PumpLinx的优势解决方案不仅可以解决各类阀门的流固耦合运动分析,同时降低了仿真的难度,提高了分析效率,并具有高精度的计算结果;
可应用于不同结构的阀门,无论是简单的球阀、滑阀、截止阀、排气阀和蝶阀等,还是结构复杂的超高压阀门、调节阀门、控制阀门、泵阀联合或是阀门控制系统均能较好适应;
计算效率高,后处理数据提取便捷且数据完备。可在短短几天时间内获得阀门的初步性能结果,并自动输出位移、速度、各部分受力、流量、压力、响应曲线等数据,为优化设计提供参考。

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