基于fsi的梭式核級閥流固耦合仿真分析

基于fsi的梭式核級閥流固耦合仿真分析

停止，又稱單向閥或反止閥，其功能是防止管道中的介質(zhì)回流。因此，它廣泛應(yīng)用于石油、化工、加熱網(wǎng)、冶金、自來水管道等行業(yè)。目前,旋啟式止回閥不可能完好地密封,有倒水傾向,容易產(chǎn)生管道振動,不能任意角度安裝,而且封密接觸面易損壞,但由曾祥煒等發(fā)明的梭式止回閥沖擊小,不產(chǎn)生噪聲,密封性能良好,其軟密封泄漏量為零,具有很好的工業(yè)發(fā)展前景。ADINA軟件作為當(dāng)今最為可靠的結(jié)構(gòu)非線性、流固耦合計(jì)算系統(tǒng),其非線性問題穩(wěn)定求解、多物理場仿真等功能一直處在全球領(lǐng)導(dǎo)地位。文中圍繞大口徑(直徑不小于200mm)梭式止回閥與旋啟式止回閥的流固耦合性能數(shù)值分析展開,以ADINA軟件為平臺,建立流固耦合有限元模型,對管道流場進(jìn)行動態(tài)分析。根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,得到了流體流速場矢量圖與壓力場云圖和閥體應(yīng)力云圖,以及閥體極端節(jié)點(diǎn)壓力曲線,并對此進(jìn)行詳細(xì)分析與對比,為梭式止回閥的優(yōu)越性驗(yàn)證及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù),有利于梭式止回閥的研究和推廣。1流固耦合系統(tǒng)有限元方程流固耦合力學(xué)研究的是兩相介質(zhì)之間的相互作用,即流體的作用力影響結(jié)構(gòu)的變形,同時結(jié)構(gòu)的位移又影響流場的形態(tài),其相關(guān)數(shù)學(xué)模型如下:(1)應(yīng)用在流固耦合界面的基本條件是:dˉf=dˉsdˉf=dˉs和n?τˉf=n?τˉsn?τˉf=n?τˉs。其中:τˉfτˉf和τˉsτˉs分別表示流體和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力,dˉs和dˉf分別表示流體和結(jié)構(gòu)的位移。(2)耦合系統(tǒng)的解向量記為X=(Xf,Xs),Xf,Xs分別是定義在流體和結(jié)構(gòu)點(diǎn)上的解向量。因此,ds=ds(Xs),τf=τf(Xf)。流固耦合系統(tǒng)中的有限元方程可以表示為:F[X]=[Ff[Xf,ds(Xs)]Fs[Xs,df(Xf)]]=0(1)其中:Ff和Fs分別是與流體方程Gs和結(jié)構(gòu)方程Gf相應(yīng)的有限元方程。(3)文中采用的是雙向流固耦合程序,即流體和結(jié)構(gòu)模型之間需要迭代求解,根據(jù)應(yīng)力、位移或者兩者的結(jié)合來檢查迭代的收斂性。應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)是:rτ=∥τ—kf-τ—k-1f∥max{∥τ—ks∥,ε0}≤ετ(2)位移的標(biāo)準(zhǔn)是:rd=∥d—kf-d—k-1f∥max{∥d—ks∥,ε0}≤εd(3)式中:εd和ετ分別是應(yīng)力和位移收斂的容許誤差,ε0是事先給定的常數(shù)(10-8),其作用是防止在檢查收斂時應(yīng)力和位移值太小。2建立模型及參數(shù)設(shè)定在管道中,流體相對于梭式止回閥的運(yùn)動實(shí)際上是全方位的軸對稱流動,而相對于旋啟式止回閥的運(yùn)動是剖分旋轉(zhuǎn)軸的對稱流動?？紤]到兩者的流動特性及仿真計(jì)算的方便與準(zhǔn)確性,作者采取二維建模。在實(shí)際情況中,還有一些復(fù)雜小零件,比如連接孔、螺釘、彈簧、圓角,墊片等,但這些小零件不影響閥體在管道流場中的主要性能,所以在進(jìn)行有限元模型分析時,可以忽略這些因素,建立簡化模型。由于在AINDA里面建模繁瑣且不利于參數(shù)修改,可以先從CAD里面根據(jù)相關(guān)尺寸建立原始模型,然后通過IN文件導(dǎo)入ADINA。修改坐標(biāo),轉(zhuǎn)換成yz平面坐標(biāo)系。在進(jìn)行參數(shù)設(shè)定時,采用無滑移邊界條件,管道壁為wall,閥體周圍接觸流體處都設(shè)為Fluid-Structure-Interface,管道左端邊界施加流速v=50m/s,右端邊界施加壓力p=105Pa。對于旋啟式止回閥,需約束閥體的旋轉(zhuǎn)軸。當(dāng)閥體開啟時,閥體將圍繞旋轉(zhuǎn)軸逆時針旋轉(zhuǎn)90°;對于梭式止回閥,需采用大位移的求解迭代算法。當(dāng)閥體開啟時,閥體將沿著管道平行移動0.05m。根據(jù)實(shí)際情況,可以選擇相同的其他參數(shù):流體的密度為1000kg/m3,黏度為0.0001Pa·s;閥體彈性模量2×1011Pa,泊松比為0.3,密度為7800kg/m3。由于三角形部分在幾何上有很大的靈活性,對邊界的逼近程度較好,適合于復(fù)雜的幾何圖形劃分,因此采用9節(jié)點(diǎn)的三角形剖分來劃分單元。圖1、2分別為旋啟式止回閥和梭式止回閥的流體模型。3進(jìn)行流場仿真根據(jù)上述流固耦合數(shù)學(xué)模型方程,流體與結(jié)構(gòu)網(wǎng)格獨(dú)立,并有公差,仿真時間為0.5s,分別保存求解文件,而后通過調(diào)用FSI模塊進(jìn)行仿真計(jì)算,可得出閥體開啟的流場云圖。3.1流場特性分析通過分析旋啟式止回閥開啟的仿真計(jì)算結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:(1)由圖3可知,流場最大壓力在節(jié)點(diǎn)136,即p=1969799Pa,在管道左端入口處;流場最小壓力在節(jié)點(diǎn)14,即p=-980851Pa,在接近閥體的偏左端。流體壓力從管道左端到右端總體呈階梯性遞減,但局部產(chǎn)生較大或較小的流體壓力,特別是管道中段接近管道壁或閥體邊界的壓力變化尤為明顯。這是由于在閥體提升的過程中,閥體的快速開啟致使閥體背部出現(xiàn)壓力損失而在其他地方產(chǎn)生了附加壓力,造成流體壓力不均勻從而引起管道輸送能量損失。(2)由圖4可知,閥體最大應(yīng)力為78.62Pa,右端應(yīng)力最大,左端應(yīng)力最小。這是因?yàn)殚y體越遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸,越容易受到流體的沖擊,閥體右端的移動與穩(wěn)定都是由流體流動來支撐的。(3)由圖5可知,管道中的最大流速為65.58m/s。管道左端的流體流速大且較為均勻,而管道右端的流速變化大,幾乎覆蓋了從最大流速到最小流速的所有范圍,并在管道中間部分甚至出現(xiàn)流速空白區(qū)域。這是由于速度分布跟沿流動方向的壓力梯度有關(guān),即壓力變化最大之處,流速最小。(4)為了進(jìn)一步了解清楚管道流場特性,選擇接近流場變化最大且環(huán)境復(fù)雜的閥體極端節(jié)點(diǎn)25作為參考對象。由圖6可知:閥體開啟時,節(jié)點(diǎn)壓力以最短的時間增加到最大值,而后大幅度地平穩(wěn)收斂下降,在某一個時刻,突然垂直減小到某個值,然后以較小的斜度緩慢減少到最后趨于0。這是由于閥體兩側(cè)的壓力差大,當(dāng)左端流體瞬間沖開閥體時,受到左端大壓力的影響,極端節(jié)點(diǎn)壓力提升快;經(jīng)過短暫的“失穩(wěn)”,隨著閥體開度的增大,流體穩(wěn)定地沖擊著閥體,流量增大,閥體受到的壓力快速減小;閥體是均速地開啟,在相同的時間內(nèi),閥體提升高度和流體沖擊壓力法向角越來越小且變化率不同,當(dāng)在某一個位置時,變化率最大,壓力快速降低;當(dāng)閥體趨于平行時,法向壓力減小的變化率不大;在閥體平行時,法向壓力為0。這是由于系統(tǒng)脈沖振蕩和流量高動態(tài)變化時閥瓣與閥座撞擊發(fā)生敲擊、晃動,引起管道系統(tǒng)振蕩,易產(chǎn)生擾動、湍流、負(fù)壓和氣蝕。3.2壓力變化規(guī)律通過分析梭式止回閥開啟的仿真計(jì)算結(jié)果,可以得出以下結(jié)論:(1)由圖7可知:流場的最大壓力為pmax=3.784×108Pa,在節(jié)點(diǎn)404處,即在閥體前端與管道縮徑之間的最窄地方;最小壓力為pmin=-7.946×107Pa,在節(jié)點(diǎn)256處,即在閥體前端接近轉(zhuǎn)角的地方。左端流體壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于右端流體壓力,在接近閥體前端的流體壓力變化很大,因?yàn)榇颂幜魉僖彩亲畲蟮摹?2)由圖8可知,閥體應(yīng)力都很小,總體分布較均勻,但應(yīng)力集中都在閥體銳角處,不利于閥體使用壽命的延長,可改成小圓角,保證應(yīng)力盡可能地分散。(3)由圖9可知,流體的最大速度v=257.3m/s,在閥體的前端轉(zhuǎn)角處,呈對射狀態(tài)。閥體前端出現(xiàn)流速空白,而后端只產(chǎn)生小范圍的流速變化。這是由于流體快速流動時,致使閥體前端產(chǎn)生了較大的流體撞擊,而沖擊反射的水又與對沖的水在能量與動量損失方面剛好互補(bǔ),從而出現(xiàn)局部流體靜止;在閥體后端,產(chǎn)生兩個小渦流,但在閥體兩側(cè)的大流速作用下,局部流體只能以微小的渦流形式運(yùn)動?？傮w上來說,流體以層流為主,渦流為次,但渦流能量小,不影響整體流場趨勢變化。(4)為了便于跟旋啟式止回閥進(jìn)行流場壓力對比,選擇相同位置且流場復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)246作為參考。由圖10可知:壓力曲線從開始突然增加到最大,然后迅速收斂,先大斜率后小斜率地穩(wěn)定回落,壓力大小始終大于0。這是由于閥體移動時,閥體兩側(cè)的流體迅速運(yùn)動,而前端的流體出現(xiàn)短暫的延遲,因此閥體前端壓力變化速度沒有兩側(cè)的快;閥體兩側(cè)的流體呈層流狀態(tài),且局部湍流不影響整體運(yùn)動,保證了閥體的平穩(wěn)移動,減少了振動現(xiàn)象,維持了管道輸送的穩(wěn)定性和安全性。3.3溫度變化規(guī)律根據(jù)旋啟式止回閥和梭式止回閥的流場對比分析,可得出以下共同點(diǎn)和不同點(diǎn):共同點(diǎn):(1)閥體極端壓力都是呈一種走勢,即:先上升,后下降,最后趨于平行;(2)流速云圖都出現(xiàn)了局部空白部分,這是由于兩種閥體附近都有因流體壓力變化而引起的局部流速靜止;(3)壓力云圖都出現(xiàn)了明顯的階梯性變化。不同點(diǎn)見表1。4啟式斷流場對比分析目前,還沒有對旋啟式止回閥流固耦合流場進(jìn)行分析的具體例子,同時對梭式止回閥的研究也主要停留在泄漏量試驗(yàn)、流阻系數(shù)試驗(yàn)和水錘壓力測量階段。通過文中的研究,可以得出以下的結(jié)論:(1)實(shí)現(xiàn)了旋啟式止回閥和梭式止回閥的二維流固耦合流場分析,可以全程觀察在閥體的影響下管道流體流場與壓力場的動態(tài)變化,為下一步研究奠定了基礎(chǔ)。(2)通過對兩種閥體的對比分析,可知:梭式止回閥比旋啟