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梭式核級閥內部流場的數(shù)值仿真

1梭式斷封閥采用預緊器密封,具有振動大、可密封性好液壓閥的使用壽命主要與副表面的密封性能有關,即泄漏和磨損。本文研究的梭式止回閥閥瓣采用雙重密封,除端面密封外,周向還有O形密封克服了一般止回閥密封效果差的缺點。圖1為梭式止回閥的結構簡圖,可見其具有軸流對稱,結構緊湊,雙向密封,閥芯行程短,梭式流線型流道等結構特點。其基本動作原理為:閥芯內部設置有預緊的彈簧,當介質由左端流入閥門時,克服彈簧的預緊力作用,閥芯向右移動,閥門打開;與旋啟式止回閥相比,其閥瓣不是靠重力關閉,而是依靠彈簧的預緊力,因此,即使在閥背壓很低的情況下也能關閉嚴密。2建立和控制模型2.1空間發(fā)育建模(1)梭式止回閥內部的流體運動是軸對稱的;對于旋起式止回閥,可以取過軸線的豎直剖切面進行研究,采用2D建模;(2)考慮到AINDA建模的復雜程度,本文采用CATIA軟件建立幾何模型,然后通過IGES通用數(shù)據(jù)接口將模型讀入ADINA。2.2雙向流固耦合類型的檢驗結果流固耦合力學研究的是兩相介質之間的相互作用。模擬閥門的開啟無論是閥芯的移動還是閥瓣的旋起,一定會影響流場的形態(tài),因此采用雙向流固耦合類型,流體和結構模型之間需要迭代求解,根據(jù)應力、位移或者兩者的結合來檢查迭代的收斂性。其相關控制方程如下位移的標準應力的標準式中d———位移;τ———應力。為了防止在檢查收斂時應力和位移值太小,ε0=10-8;εd和ετ分別是位移和應力收斂的容許誤差,考慮到迭代的收斂性,分別取其值為0.01,最大迭代次數(shù)取為200次。2.3流場及邊界條件(1)假定閥門開啟壓力為20MPa且在開啟過程中保持不變;(2)假定閥芯(閥瓣)勻速開啟,開啟時間為1s;(3)采用無滑移邊界條件,閥體內壁為wall,閥芯或閥瓣邊界都設為FSI;(4)流體材料設為不可壓縮常參數(shù)模型,壓力為115000Pa,密度為950kg/m3,黏度為0.002Pa·s體積模量為2.56×109;閥芯或閥瓣為各向同性線彈性材料,彈性模量2×1011Pa,泊松比為0.3,密度為7800kg/m3;(5)閥芯位移為0.1m,閥瓣旋起角度為90°。3比較模型結果的分析3.1流體速度分布(1)圖2為閥瓣旋起45°時作出的速度矢量圖。由圖可知,閥瓣下端的流速很大,最大流速為148.9m/s;閥瓣后端出現(xiàn)了一個漩渦,這是由于閥門在開啟過程中,閥瓣推動流體向后上方流動,引起流體回旋運動;閥瓣的中下部出現(xiàn)了速度空白區(qū)域,是由于液體回流與向右運動的流體相撞,能量相互抵消,產生了局部流體靜止現(xiàn)象;從整體上看,由于流速分布集中而不均勻,回流現(xiàn)象和漩渦使得速度矢量方向不一致,閥門中的流體呈湍流狀態(tài);(2)圖3為0.5s時刻作出的壓力云圖。由圖可知,流體的最大壓力出現(xiàn)在節(jié)點2處,其值為2.11×107Pa,最小壓力為-2570908Pa,在節(jié)點433處;流體壓力分布從左端到右端總體呈階梯形式遞減,但局部產生較大或較小的壓力,特別是中間下側的壓力變化尤為明顯,出現(xiàn)了突變區(qū)域;閥瓣的左側壓力很大,而右側則很小,可見閥瓣在開啟過程中受力極不平衡,容易產生振動;(3)為了進一步研究閥門開啟過程中的流速變化情況,取節(jié)點498作為具體研究對象,作出其速度曲線如圖4所示,該曲線波折起伏,整體呈上升趨勢,中間出現(xiàn)了3次斜率突然增大又突然減小的突變情況,因此,閥門在開啟過程中,節(jié)點的速度不斷增大,但是整個變化過程很不平穩(wěn),波動曲折;(4)為了進一步研究閥門開啟過程中的壓力變化情況,取受沖擊較大的閥瓣最末端節(jié)點21作為具體研究對象,由圖5可知,該曲線變化趨勢復雜,波折起伏,在閥門剛開啟瞬間,流體沖擊節(jié)點,使節(jié)點壓力迅速變?yōu)樽畲笾?隨著閥瓣旋起角度不斷增大,以及回流的產生,壓力逐漸減小;另外,由此曲線也可以得出,作用在閥瓣上的載荷變化情況也很復雜,容易引起閥瓣的振動??傊?在閥門開啟過程中,節(jié)點壓力不平穩(wěn),變化情況復雜。3.2流場壓力仿真分析(1)圖6為速度矢量圖,最大流速為91.88m/s;流速呈軸對稱分布,整體分布較均勻,左右兩端流速大小較接近,可見流體從左端運動到右端,其能量損失較小;除了閥芯開口兩側的流速方向較傾斜外,整體流動方向一致,無渦流現(xiàn)象和流速空白區(qū)域,流動狀態(tài)穩(wěn)定,流速分布均勻,因此流場的流動狀態(tài)主要以層流為主;(2)圖7為壓力云圖,流場的最大壓力為2.023×107Pa,位于節(jié)點163處,最小壓力為-2.14217Pa,位于節(jié)點65處;流場壓力左端大,右端小,從左到右呈階梯型分布;另外,壓力分布呈軸對稱形式,所以作用在閥芯上的載荷也對稱分布,閥芯受力均衡,在開啟的過程中不易產生振動,這樣對流場的影響也很小,開啟過程將會比較平穩(wěn);(3)為了進一步研究流場的速度變化情況,并和旋啟式止回閥進行對比分析,選取498節(jié)點作為具體的研究對象,作出其流速曲線如圖8所示。此速度曲線主要由2條曲線構成,閥門在剛開啟時,節(jié)點受到瞬時沖擊,其速度以較大的斜率遞增,形成曲線1;隨著閥門的開啟,流動狀態(tài)穩(wěn)定,節(jié)點速度以曲線2的形式逐漸穩(wěn)步增大??傊?節(jié)點速度在大部分時間內以較小的斜率逐漸增大。(4)為了和旋啟式止回閥進行對比分析,進一步研究流場的壓力變化情況,選取受流體沖擊較大的閥芯最前端節(jié)點198作為具體的研究對象,作出其流速曲線如圖9所示,該曲線由3段曲線構成,曲線1是由于閥門開啟時,閥芯受流體沖擊,突然向右移動,閥芯前端出現(xiàn)了短暫的局部流體缺失,于是形成了一個瞬時背壓;當向右運動的流體補充過來后,沖擊閥芯,其壓力迅速增大,即曲線2;隨著閥芯右移,流動狀態(tài)趨于穩(wěn)定,節(jié)點壓力以曲線3的形式,穩(wěn)定地逼近20MPa。總之,節(jié)點壓力在開啟瞬間出現(xiàn)抖動,其后大部分時間內非常穩(wěn)定。3.3旋啟式斷流閥瓣組合(1)相同點(1)流場壓力均為左端大,右端小,呈階梯型分布;(2)流體速度都呈逐漸增大趨勢;(3)閥門在開啟過程中均出現(xiàn)了背壓現(xiàn)象。(2)不同點梭式止回閥和旋啟式止回閥的不同點如表1所示。(3)綜合分析(1)對于旋啟式止回閥,閥瓣受力不平衡,導致整個閥體振動,產生沖擊、發(fā)熱和氣蝕,將會降低閥門的使用壽命;流場的湍流狀態(tài)

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