（机械制造及其自动化专业论文）梭式止回阀动态特性的有限元分析研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 梭式止回阀作为一种新型止回阀，是利用压差梭动原理研制而成的，密 封性能好，阻力小，与旋启式止回阀相比，具有尺寸短小、重量轻、寿命长、 噪音低四个优点。但由于目前只有小口径( 直径在1 0 0 m m 左右) 的梭式止 回阀投入了一些领域的使用，并产生了良好的经济效益，而对大口径( 直径 不小于2 0 0 m m ) 的梭式止回阀研究还有很多性能需要做大量地试验与分析， 本文把有限元法和阀体结构实验流场分析相结合，对梭式止回阀在管道流体 中的动态特性及梭式止回阀优化方案和优化效果进行了深入研究。 论文阐述了梭式止回阀内部流场仿真可能涉及到的管道流体基本理论与 有限元理论；并用a d i n a 有限元软件对梭式止回阀进行数值模拟，得到了 梭式止回阀在油管中开启与关闭的流场变化结果。通过分析原模型中有代表 性的流通区流速和压力图或曲线，总结出阀内流体运动规律，并根据其涡流 或湍流的产生机理，对原模型进行参数或结构调整，其中包含阀杆、速度、 阀瓣形状、管道壁逐渐扩大结构等，然后对这些影响因素再次进行数值模拟， 与原模型相比较，研究分析模型调整后的流场特性；根据趋于流场稳定的影 响因素，初步进行梭式止回阀的结构修改优化，并研究其在自来水中开启和 关闭的流场变化，与原模型、旋启式止回阀进行对比，验证其可行性。 在阀芯开启过程中，可以通过修改阀杆或阀瓣形状，采用平缓过渡杆或 圆弧直径更大的阀瓣型线均可改变或消除阀芯尾部的漩涡形态；在关闭过程 中，提高入口处流速，可以明显发现原模型的阀体前端出现涡街；修改阀瓣 形状，在阀瓣前端中部加一个阀杆，可以减轻阀前的对冲湍流；无论在开启 或关闭过程中，阀口采用逐渐扩大结构都可以降低瞬间的液压冲击；与旋启 式止回阀、原模型的流场特性相比较，很容易看出初步优化的梭式止回阀在 开启和关闭过程中都具有良好的流动环境，减少了能量损失，有效地防止了 阀体的振动和噪声。 关键词：梭式止回阀；a d i n a ；数值模拟；流场变化；优化结构 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t s h u t t l ec h e c kv a l v e ( s h c v ) i san e wt y p eo fc h e c kv a l v e ，w h i c hi sg o o d s e a lp e r f o r m a n c e ，s m a l lr e s i s t a n c ea n dd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h ep r i n c i p l eo f d i f f e r e n t i a lp r e s s u r el e a d i n gs h u t t l e c o m p a r e dt os w i n gc h e c kv a l v e s ( s w c v ) ，i th a sf o u ra d v a n t a g e s ，s u c ha s s m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，l o n gs e r v i c el i f e ，a n dl o wn o i s e b u tb e c a u s ei tn o wo n l ys m a l ls h c v ( a b o u t10 0m mi nd i a m e t e r ) c o m ei n t o u s ei ns o m ef i e l d sa n dp r o d u c e dag o o de c o n o m i cb e n e f i t s b u tf o rl a r g e d i a m e t e rs h c v sr e s e a r c h ( d i a m e t e rn o tl e s st h a n2 0 0m m ) ，m a n yp e r f o r m a n c e n e e dt od oal o to ft e s t i n ga n da n a l y s i s 。t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o di sc o m b i n e d w i t hb o d ys t r u c t u r ee x p e r i m e n tf l o wf i e l da n a l y s i si nt h i sp a p e r , a n dt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fl a r g ed i a m e t e rs h c vi nt h ep i p e l i n ei sd e e p l ys t u d i e da sw e l l a so p t i m i z a t i o ns c h e m ea n dt h eo p t i m i z a t i o ne f f e c t t h i sp a p e re x p o u n d st h eb a s i ct h e o r ya n df i n i t ee l e m e n tt h e o r yo ff l u i dp i p e ， i nw h i c ht h es h c vi n t e r n a lf l o wf i e l ds i m u l a t i o nm a yi n v o l v e p r e p r o c e s s i n g a n a l y s i so ft h es h c vi sr e a l i z e db yt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea d i n a a f t e r t h a t ，i ti sr e c e i v e dt h a tt h er e s u l to fo p e n e da n dc l o s e df l o wf i e l dc h a n g e si nt h e t u b i n g ，f r o mw h i c ht y p i c a lv e l o c i t ya n dp r e s s u r ef i g u r eo rc u r v ea tc i r c u l a t i o n a r e ai no r i g i n a lm o d e l ，i ts h i l l su pt h ef l u i dm o t i o nr u l ei nt h ev a l v ea n dc h a n g e s t h ep a r a m e t e r so rs t r u c t u r eo ft h eo r i g i n a lm o d e la c c o r d i n gt ot h eg e n e r a t i n g m e c h a n i s mo fe d d yc u r r e n to rt u r b u l e n c e ，s u c ha ss t e ma n dd i s cs h a p e ，v e l o c i t y , p i p ew a l lg r a d u a l l ye x p a n d e ds t r u c t u r e a n dt h e n ，c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a l m o d e l ，t h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e da f t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o t h e s ef a c t o r sa g a i n a c c o r d i n gt ot e n dt of l o wf i e l ds t a b l ef a c t o r s ，i ti sd o n et h a tt h er e s e a r c h a b o u tf l o w ；f i e l dc h a n g e so p e ni nt h es t e a ma n dc l o s e di nw a t e ra f t e rp r e l i m i n a r y s t r u c t u r a lm o d i f i c a t i o n m e a n w h i l e ，c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a lm o d e la n d s w c v , t h ef e a s i b i l i t yo fo p t i m i z a t i o nm o d e li sv e r i f i e d i nt h ep r o c e s so fo p e nt h ev a l v ec o r e ，t h r o u g ht h em o d i f i e dv a l v es t e mo r d i s cs h a p e ，a l lc a nc h a n g eo rr e m o v es w i r lf o r mb ys m o o t ht r a n s i t i o ns t e ma n d g r e a t e rd i s ct y p el i n e i nt h ec l o s ep r o c e s s ，i tc a no b v i o u s l yf o u n dt h eb o d yo f o r i g i n a lm o d e la p p e a r sf r o n tv o r t e xa r e ri m p r o v i n gt h ev e l o c i t y a tt h ee n t r a n c e a n dm o d i f y i n gd i s cs h a p ec a nr e d u c et u r b u l e n c eh e d g ea tf r o n to fv a l v e ，w h e r e a d d sas t e ma tt h ec e n t r a lf r o n t n om a t t e ri no p e no rc l o s e dp r o c e s s ，t h e m o m e n t so fh y d r a u l i ci m p a c tc a nb er e d u c e db yg r a d u a l l ye x p a n d e dt h es t r u c t u r e o fv a l v ep o r t c o m p a r e dw i t ht h ef l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c so fs w c v a n do r i g i n a lm o d e l ， i ti sq u i t ee a s yt of i n dt h a tm o d i f i e ds h u t t l ec h e c kv a l v eh a s ag o o df l o w e n v i r o n m e n ti nt h eo p e na n dc l o s e dp r o c e s s ，w h i c hr e d u c e st h ee n e r g yl o s s ，a n d e f f e c t i v e l yp r e v e n t st h eb o d yv i b r a t i o na sw e l la sn o i s e k e yw o r d s ：s h u t t l ec h e c kv a l v e ；a d i n a ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f l o wf i e l d c h a n g e s ；o p t i m i z a t i o ns t r u c t u r ep r o c e s so p t i m i z a t i o n ； 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 课题研究的来源及意义 1 1 1课题来源 本课题来源于四川省教育厅资助项目“梭式止回阀的流固耦合性能分析 及优化”( 项目编号：1 0 z c 0 11 ) 。 1 1 2 研究意义 ( 1 ) 把有限元法和阀体结构实验流场分析相结合，对于梭式止回阀在管 道流体中的动态特性分析及梭式止回阀优化方案和优化效果评定方法的研 究，具有一定的创新性。它对研究梭式零件的动态特性以及减振降噪方案具 有一定的参考性和推广性。 ( 2 ) a d i n a 有限元软件的非线性求解技术处于世界前列，具有强大的 流固耦合场求解功能n 1 。由于梭式止回阀在管道中开启或关闭都不可避免地 受到了流固耦合作用影响。因此，对梭式止回阀建立合理的有限元计算模型， 进而对其进行a d i n a 多物理仿真模拟，则显得极为迫切和必要。 1 2 研究现状 1 2 1止回阀的发展现况 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，属于一种自动阀门，其主要作用是防止介质倒流、防止泵及驱动电动 机反转，以及容器介质的泄放。止回阀还可用于给其中的压力可能升至超过 系统压的辅助系统提供补给的管路上。一般适用于清净介质，不宜用于含有 固体颗粒和粘度较大的介质。 在止回阀结构设计方面，由于目前国内使用最普遍的是旋启式止回阀， 该阀内有一个能旋启的阀瓣，正常工作时阀瓣被流体冲击时向上旋转；在流 体停止或受工况影响时，阀瓣借自身重力向下旋转关闭，阻止流体的倒流， 但是旋启式止回阀门存在众多缺点心1 ：关闭或开启时由于强烈的水锤作用产 生极大的噪声和振动；由于阀板振动使转轴和轴套产生较大的机械摩擦运动， 局部阻力大，当阀板振动频率越高时，连杆、摇杆、铜套、轴和轴套间会产 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 生严重的磨损，阀板偏移原有位置，密封失效，有时甚至会造成阀板脱落， 使系统保护失效：阀内流体流态紊乱，流阻损失大等，同时也存在停泵水锤问 题。为避免和改善以上缺点，一些新型止回阀应运而生，其中包括缓闭消声 升降止回阀、球型止回阀、节能梭式止回阀、弹性膜消声止回阀口1 。对于梭 式止回阀，其利用压差梭动原理研制而成，密封性能好，阻力小，与旋启式 止回阀相比，具有尺寸短小、重量轻、寿命长、噪音低四个优点n 1 。阀体成 圆柱形，没有上下正反之分，具有全方位安装的特点。 在止回阀流动特性方面，水锤现象是破坏阀体的重要原因之一，1 8 5 8 年 m e n a b r e 对此进行了研究，并奠定了弹性水锤的理论基础，俄国学者h e 儒 柯夫斯基在1 8 9 8 年补充水锤的基本理论并作了试验研究；而国内学者王树人 5 】在上个世纪八十年代就有了关于阀门突然关闭时的水锤理论与计算专著。 由于流体对物体绕流及尾部漩涡脱落现象可以诱发物体上纵横方向的流动载 荷，激起结构的振动响应，甚至会造成结构损毁，因此国外很早就有学者对 近壁圆柱的绕流情况进行了研究，例如b e a r m a n 和r i c h t e r n l 等。而近年来， 国内外学者又发展了对水锤和绕流的分析研究：z d a v k o v i c h 伯州对两圆柱间相 互影响的绕流进行了研究，得出：两圆柱的绕流在同一雷诺数下，也会使得 流体力和涡流脱落现象与单圆柱的很不一样；t a n i d a 和o k a j i m a 等n 们在1 9 7 3 年对在尾流和均匀流中的近底壁圆柱水平振荡稳定性进行了实验研究，结果 表明：当r e 4 0 时，流体升力系数的变化波动较弱，即圆柱后没有漩涡脱落 现象；随着雷诺数变大，流体的升力系数就呈起伏不定，没有变化规律；北 京交通大学的杨丽明等1 对缓闭止回阀进行了水锤理论研究，并进行数值模 拟和实验研究，验证了数学模型和计算程序的可行性：上海交通大学的刘建 闽n 23 对平流层飞艇的绕流进行了各种弹性分析，对结构非线性大变形与周围 流场的相互作用进行了一定研究。华北水利水电学院的宁锋n 3 1 分析研究了脉 冲液体射流泵的内部流场变化，并进行了实验对比，并数值模拟了泵体的最 优喉管结构，总结了最佳长度范围。由于目前只有小口径( 直径在10 0 m m 左右) 的梭式止回阀投入了一些领域的使用，并产生了良好的经济效益，而 对大口径( 直径不小于2 0 0 m m ) 的梭式止回阀研究还有很多性能需要做大量 的试验与分析，这些研究为梭式止回阀的进一步研究提供了参考价值。 1 2 2 数值模拟现状 流体流动的数值模拟是以计算机作为仿真手段，用数值方法来求解流体 流动的一种研究手段，可以得到各种基本物理量，比如压力，速度，温度等， 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 是用来研究流体流动的规律和现象的计算方法。而c f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ) 技术就是指用来解决这种流场中数值模拟分析的技术，运用计算 流体动力学来解决实际工程流动问题已成为当前科学研究中的一种重要趋 势。目前，商业流体软件主要有f l u e n t ，a d i n a ，s t a r c d ，c f x 等n 引，众多研 究人员利用这些软件进行仿真模拟，提供了许多算法与案例，但是对阀门内 部流动的数值计算分析还处于起步与探索阶段。在国外，w i g g e r t n 5 。2 2 1 等分别 研究了各种流固耦合现象，充分表明了流体与固体的相互作用影响是不容忽 略的。在国内，山东大学的尚翠霞乜3 1 对控制阀内部流场进行了流固耦合分析， 观察到了一些重要流动特征；陶正良等乜们人在论文电站调节阀内流场的三 维数值模拟及实验研究中，通过c f d 与c a d 相结合方法，在采用矩形正 交网格的同时，结合了p a r s o l 的计算方法，从而能够更好地适应阀门内流 道的结构的改变，迅速建模，满足工程设计迅速简便的要求，把数值结果同 实验结果比较，证明建模的正确性和结论的可靠性；北京化工大学的沈晶心5 1 在电磁阀阀芯结构对水锤影响的试验研究中对电磁阀内部的水锤现象进 行了一定的理论研究和实验数据分析；太原理工大学的刘李平乜6 1 在阀芯阀 套间缝隙内部流场的c f d 计算中分析研究了阀芯的径向力和泄漏量，得到 了一些重要数据：张志荣等乜7 1 在论文内燃机缸内气体c f d 瞬态分析中动态 网格划分技术中，深入分析了在发动机c f d 瞬态分析中的4 类动态网格划 分技术：弹性平滑方法、动态层方法、局部重划方法和a l d 方法，验证了 与实验观察相一致的结果；大连理工大学的赵刘群心们在水动力引起的海底 管道振动的数值研究中阐述了绕流和涡激振动的基本理论，并进行了数值 模拟，分析了漩涡引起共振现象。这些方法和模型只是在不同的范围里，计 算得到各自的结果。但是，对于新型止回阀或者需要改造设计的阀型，都有 必要对其方案进行流场特性预测与评估，以此确定阀型的各种参数设定，在 这个解决过程中，有效利用c f d 技术更有利于减少产品的研发成本与生产周 期，提高企业的竞争力。目前，发达国家在产品开发中运用数值模拟仿真为 主，进行设计方案预选，再以较少量试验来校核确定方案n 刚阳引，而在我国， 对于研发新止回阀，采用的主要方法是利用经验，初步设定些可能的方案， 然后理论分析，并进行实验验证，对比实验结果，进一步修正结构方案或确 定最终理想设计方案，但这个过程所需成本高，劳动重复性大，浪费大量的 人力和物力，不利于新产品的高效开发，有时甚至经过多次实验后仍得不到 满意的结果，造成研究单位和研究人员更加沉重的负担。因此，c f d 方法在 产品设计中的应用使得产品的结构设计更趋于合理“。 西南科技大学硕士研究生学位论文 第4 页 1 3 技术路线和研究内容 1 3 1技术路线 ( 1 ) 广泛收集整理、总结国内外有关止回阀，尤其是梭式止回阀方面的 一些实际数据和研究成果。 ( 2 ) 对梭式止回阀在管道流体中的环境要求及结构特征进行论述，从而 为下一步建立模型做准备。 ( 3 ) 建立有限元模型，确定模型中的各项参数，使模型尽可能地接近于 实际的工程。 ( 4 ) 对模型在油管中的工况进行数值模拟分析，对比研究梭式止回阀在 开启或关闭时的各种流场影响因素，并根据各种影响因素进行初步结构修改 优化，然后针对不同流体环境进行验证。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 查阅资料，得出阀式止回阀的两种运行工况，并分析梭式止回阀内 部流体形态，简述管道流体的基本理论和应用软件a d i n a 仿真可能涉及到 的有限元基本理论。 ( 2 ) 在c a d 软件里分别建立结构模型和流体模型，通过a d i n a 软件 导入，将压力和速度施加到流体模型上，而对于结构模型则采用位移约束。 其中，对流体网格的划分技术直接影响到模拟结果，因此需反复划分、验证， 有时可能采用分块划分调整，尽可能地保证网格均匀对称。 ( 3 ) 。根据梭式止回阀在油管中开启或关闭过程的影响因素进行分析， 进而研究对比各种模型各种流体环境中压力场和速度场之间的流场变化，通 过分析观察流体压力和速度变化，总结出不同工况中流体运动规律。 ( 4 ) 通过模型参数调整，对梭式止回阀的各种流固耦合现象进行综合分 析，得到初步结构修改优化，并进一步研究其在水蒸汽或液态水中的运行工 况，同时也与旋启式止回阀相比较，结果表明初步优化方案使流场变化趋于 平稳，比旋启式止回阀更具有优越性。 1 4a din a 简介 本文是在a d i n a 软件中进行流固耦合有限元分析，并提取相关参数进 行了对比研究。a d i n a ( a u t o m a t i cd y n a m i ci n c r e m e n t a ln o n l i n e a ra n a l y s i s ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 软件是采用有限元技术为基础的综合性仿真分析平台，已经广泛应用于各个 研究领域。a d i n a 作为突出的有限元分析程序，其f s i ( f l u i d s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n ) 模块是全球领先的流固耦合求解器，分析求解 方程可以是非线性或线性的，采用结构与流体融合计算技术，可以利用网格 自适应或重划分进行流体中结构的运动模拟，比如汽车a b s 系统中钢球与制 动液的相互关系、往复式压缩机中活塞在反复压缩过程中的流体影响、阀泵 在流体作用下的工况反应等等。因此，a d i n a 软件中功能强大的多物理场仿 真在水力管道行业中具有广泛的好评，被称赞为有限元分析软件中的精品b 引。 本文是在a d i n a 软件中进行流固耦合有限元分析，并提取相关参数进行了 对比研究。 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 2梭式止回阀的有限元分析基础 2 1 管道流体理论基本概念 2 1 1流体运动的连续性方程 二维流体可以看成是在边界以内由无数元流组成的，取总流过水断面 4 ，4 及总流的流管为控制面，则通过4 和4 流进和流出该控制体的质量流 量分别为n z l l 姒及点t 0 2 u 2 d 一4 2 ，其中p 为密度，“为速度。单位时间该控制 体内流体质量的增量为矿詈d y = 昙y p d v 其中c v 为控制体的体积。根据 质量守恒原理，可得总流的连续方程3 1 为： 丘粥d 4 一点岛吃必= 昙r p d 矿 ( 2 - 1 ) 对于恒定流 昙y 矿= o则肛地鸱= 互岛“z 必 ( 2 - 2 ) 该式表明通过恒定总流各断面的质量流量相等，流体密度沿程式变化时 体积流量q 是沿程变化的。 对于不可压缩流体，由于p = 常量，则上式可变为 l “- 旭= 吃必 或m 42 屹4 ( 2 - 3 ) 该式表明通过恒定总流各过流断面的体积流量是相等的。其断面平均流 速与过流断面面积成反比，所以最狭窄流通区的速度最大。 2 1 2实际流体的伯努利方程 实际流体都具有黏性，流动时由于质点之间或流层之间的相对运动而产 生内摩擦阻力呤引。流体流动就要克服内摩擦阻力而做功，因而消耗能量，使 流体的一部分机械能不可逆转地转化为热能而耗散，流体的机械能会沿流程 而减小，表现为机械能的损失。 实际流体总流的伯努利方程( 也称总流能量方程) 可表示为如下： z i + 旦+ 盟：乙+ 旦+ a 2 v 2 + h ( 2 - 4 ) p g2 9p g2 9 ” 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 其中z l ，z ，为流体相对高度，p 为流体压力，p 为流体密度，g 为重力加 速度，y l ，坞为流体进口和出口处的断面平均流速，口为动能修正系数，表示 单位时间通过总某一断面的实际动能与以断面平均流速1 ，在单位时间通过 同一断面的动能之比。口值是一个大于1 0 的数，其值大小取决于断面上流 速分布的不均匀程度。一般取口= 1 0 5 1 1 0 危，为总流的水头损失。影响红，的因素较为复杂，除了与流速大小、过流 断面的形状和尺寸有关外，还与流道的固体边壁的性质及粗糙程度等因素有 关。若以h 表示总流过流断面上单位重量流体的总机械能，即 日：z ，+ 堕+ 一a 2 v ； p g 2 9 则总流能量方程式可以表示为q = h z + 九 ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 该式可以求解流体内部或边界上各点的流速和压强及总流断面上单位重 量流体的能量平均值，因此我们可以通过该式来解释本文中的梭式止回阀内 部流场流速与压力各不相同的原因所在，并在a d i n a 软件上来验证初步优 化方案的思路。 2 1 3 层流与湍流 任何实际流体的流动都具有两种流态，即层流和湍流。不同的流态不仅 仅是宏观上流体质点的运动轨迹不同；水流的阻力特性和水流能量损失的规 律不同；而且整个流动的内部结构( 主要反映在流速分析的规律上) 有着显 著差异；水流中的物质和热的扩散运动等也不一样。所以强调分析研究实际 流体的运动问题时，必须首先区分流态。 1 8 8 0 1 8 8 3 年，英国的力学家、物理学家雷诺( o r e y n o l d s ) 通过大量的实 验研究深入地揭示了水头损失规律与黏性流体存在的两种不同流动形态之间 的本质关系： t l r e = 一1 4 1 u ( 2 7 ) v jj 与临界流速屹相对应的雷诺数称为临界雷诺数，即r e 。= 鲨。 v 式中y 为运动黏滞系数，尽管当管径d 或流动介质( 密度p ，黏度) 不 同时，其i 临界流速甜也不同，但对于用任何材料制成的任何管径以及在其中 流动的任何牛顿流体来说，判别流态的临界雷诺数都是相同的。因此，可以 得出下述结论：雷诺数r e 是判断流态的准数。对于同一边界形状的流动，无 论其几何尺寸的大小，边壁材料的性质，还是其内部流动的牛顿流体物性的 不同，其临界雷诺数是一个固定常数。但对边界几何形状不同，其临界雷诺 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 数r e ，有不同的常数。对于非常光滑、均匀一致的直圆管的临界雷诺数r e ， 以斯克勒( s c h i l l e r , 1 9 2 1 ) 的实验值r e = 2 3 2 0 ( 一般取2 3 0 0 ) 得到公认。 用临界雷诺数作为流态的判别标准非常方便，对于圆管流动，可与临 界雷诺数r e 比较来得出流态： r e r e ，流动为湍流； r e = r e ，流动为临界流。 在本文中，采用的梭式止回阀水力直径是2 0 0 m m ，在两种情况下工作： 第一种情况是在输送柴油n 钉的油管中运行；第二种情况是应用在核设施口鲥的 给水系统中。 第一种情况的工作条件是入口处的平均速度u = ，运动粘度为c 3 5 m s 0 0 0 2 2 p a d ，其相应的雷诺数为： r e ：u d ：3 5 x 0 2 ：3 1 8 1 8 y0 0 0 2 2 这表明，在梭式止回阀内部的流场，入口处的流动特征雷诺数没有超过 临界雷诺数。但在后续的仿真过程中，梭式止回阀开启或关闭的过程中，最 大流速超过l o o m s ，根据雷诺数计算可得： r e ：u d ：l o o x o 2 ：9 0 9 0 1 y0 0 0 2 2 这也就是说，梭式止回阀在这种流速极大的情况下，仍有部分流场是属 于湍流，因此在a d i n a 里面进行条件设定的时候要选择湍流模式。 第二种情况的工作条件是入口处的平均速度是u ，= 3 5 m s ，运动粘度为 o 0 0 1 p a ，其相应的雷诺数为： r e ：一u d ：3 5 x 0 2 ：7 0 0 y0 0 0 1 但与第一种情况一样，在梭式止回阀开启或关闭过程中，最大流速都超 过了5 0 m s ，其雷诺数远大于临界雷诺数，是属于湍流流动。因此这两种情 况的设定模型都应是湍流。 2 2 有限元理论 2 2 1湍流模型 在本文中，采用的不可压缩流体的k 一彩湍流模型为： 一 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 二_ 一一 二： ： k z p e 2 p c “一 功 缸：盟 2 - 8 o e 其中k 为湍动能，功为湍动能耗散率，定义为： k ：! 面 2 o r = 丝丽砸添丽 p 这里y 表示速度的变化或者是湍流速度和平均速度的差。 下面两个方程的未知量： ( 2 9 ) k 和国是作为 o ( y i p k ) + v c y n ( 肚一) 】：j ，a 嚷 a f u 1 最川蔗( 2 - 1 0 ) o ( y a p o j ) + v q y a ( p v c o 一) 】i ：y 1n 瓯 。ot 一+ v f - 1 ，一 i 一一，； l ， 1 m ，j， 一m 吼= ( 脶+ 丛) v 国 q m = ( 觞+ 丛) v s q = 2 以d 2 一p 足p k o + 占 ( 2 11 ) g m c k o 。2 仅m p t 黟一p 。p k 。+ | b e 巩 b = l q n + 墨q 8 蓉图9 口= 1 ，屹2 云，艮= 0 0 9 ，成= 0 0 7 5 ，o k = 2 ，吒= 2 ，= 1 ，磊= o 7 1 2 。 2 2 2sim p l e 算法 本文中采用的是f c b i ( f l o w - c o n d i t i o n b a s e di n t e r p o l a t i o n ) 方法，它局 部地满足质量和动量守恒。f c b i c 单元的所有自由度都定义在单元中心处。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 在计算过程中，求解变量认为在单元上是分段常数的，而最终的解是在后处 理过程中对拐角处节点上的值做积分。在a d i n a 中，只有s i m p l e 法用于 f c b i c 单元求解，s i m p l e 的英文全名是s e m i i m p l i c i tm e t h o d f o r p r e s s u r e l i n k e de q u a t i o n s ，意为“求解压力耦合方程组的半隐式方法 ，由 s p a l d i n g & p a t a n k a r 口7 1 最早提出的。该方法是一种主要用于求解不可压流场的 数值方法，其主要核心是采用“猜测一修正一再猜测一再修正”的求解过程， 压力场的计算是建立在交错网格的基础，以此实现动量方程( n s 方程) 的求 解。随着计算流体力学的发展，s i m p l e 算法已经逐渐成为各种流动和传热 工程领域以及反应体系中最重要的数值模拟方法n 引。 流体流动的动量方程( n s 方程) 的离散形式b 叫为： a e “。= q 6 u n 6 + 6 + 4 昂一最】 r ， 吒= e a 。6 v 如+ 6 + 4 【耳一目】 式中u n 。是u e 的邻点速度；是的邻点速度；h 为不包括压力在内的源 项中的常数部分；系数4 ，4 为压差作用面积；系数a 曲，a n ，a e 的计算取 决于所采用的离散格式。在某一“，y 迭代层次的代数方程中各系数不变的 条件下，用修正后的速度u 。- i - u 、1 ，+ + y 代入该层次的动量方程，可以计算出 每个节点的残差r 和足，： r = a e u e - - 弛。“曲+ 6 + 4 【巧+ 乞- 乏+ 砭】) ， r = av 一 6 v6 + 6 + 4 【巧+ 名一 焉+ 焉】) 再通过构造g = e e l s ：+ 只；】驴可以得出郎，并将其作为下一次迭代的压力 i j 松驰因子值，从而自动生成压力松驰因子，可以用于反复代入求解收敛n 引。 s i m p l e 算法的a d i n a 程序流程见图2 1 ： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 - 1s i m p l e 算法的a d i n a 程序流程 f i g 2 1a d i n ap r o c e s s e so fs in i p l ea i g o r i t h m 2 2 3流固耦合 流固耦合力学研究的是两相介质之间的相互作用，即流体的作用力影响 结构的变形，同时结构的位移又影响流场的形态，其相关数学原理如下： 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 1 ) 应用在流固耦合界面的基本条件是2 h 捌：堡，= 杰和以哩r = ，z 哩。其 中弓和互分别为流体和结构的应力，芝和丛，分别表示流体和结构的位移。该 式表明，流体与固体的接触边界的应力与位移是完全耦合的，因此在本文中 采用的大位移网格是可以实现的。 ( 2 ) a d i n a 软件具有弱耦合和强耦合的两种耦合求解方式n4 ，文中是 流体采用压力、固体采用大位移的模式进行耦合分析，在这个过程中产生剧 烈的湍流，而在湍流模式下只能采用s i m p l e 算法。通过对s i m p l e 算法的 论述可知文中的求解方式是强耦合：结构域与流体域的求解都在同一个通用 耦合方程中，而且每个时间步都在同时计算变化量。流固耦合有限元方程是： l 0l l 卅li i l 铭砭十如如l 噼i - i 硭l ( 2 1 4 ) 1 0 i l 啊ii 碍 其中：从矗是指耦合系统中的参数变化值； 懈，卅，趔分别是指结构内部节点、流体内部节点和流体与固体接触 处节点的内力向量变化；而耳，霹则是指各处的外力向量。 ( 3 ) 文中采用的是双向流固耦合程序，即流体和结构模型之间需要迭代 求解，根据应力、位移或者两者的结合来检查迭代的收敛性n 引。 应力的标准是： 位移的标准是： = m 憋a x e 剑 , e o j t 屹= 鞣旬 ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) 岛和t 分别是应力和位移收敛的容许误差，矗是事先给定的常数 ( 兰1 0 。8 ) ，它的作用是防止在检查收敛时应力和位移值太小。在本文中，允 许采用的误差为0 0 0 5 。 ( 4 ) 迭代法求解双向耦合 文中采用的是双向迭代耦合，最大迭代次数是15 0 ，是按顺序相互迭代 求解流体和结构方程的，在每一步求解完毕后，各自交换数据并使用，直到 耦合系统的解达到收敛，迭代停止。求解顺序h 6 1 如下： 在流体；b - 程乃i 彳；，乃1 + ( 1 一乃) 。2l = 0 中利用给定的结构位移对流 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 体模型中解出流体解向量霉。其中对结构的位移使用了位移松驰因子乃 ( 0 乃 1 ) ，可解决很多复杂模型的不收敛p - jn ，因为松驰因子可以扩大 n e w t o n 迭代法的收敛范围，而且还能保证结果精度的准确性。 对于只要求满足应力收敛条件的求解方程，仅用应力计算误差并与迭 代允许误差相比较就可以完成所有步骤了。 若也要求满足位移收敛条件， 只【r ，五哆+ ( 1 一五) 哆一】= o 中求解出的， 子乃( 0 乃 1 ) 以扩大收敛范围。 则其结构解向量彤是从原结构方程 而且还要对流体应力采用应力松驰因 利用给定的边界条件d ：= 乃篓+ ( 1 一乃) 篓叫计算出流体的节点位移。 若只要求位移收敛，则仅用位移计算误差并与迭代允许误差相比较。 若要求两者都收敛，则两个收敛条件都要检查。若迭代不收敛，则从头再算， 直到收敛，如果达到最大迭代次数仍没收敛，则计算提示错误。 计算成功，输出结果。 求解方法中，流体模型控制着耦合分析中的时间步、求解时间和收敛参 数：流体的时间函数必须小于或等于结构中定义的时问函数，计算步骤保持 一致；收敛参数则包括应力和位移迭代容差、松驰因子、收敛标准等。 2 2 4 边界条件 ( 1 ) 固壁 在结构和流体的接触面，可以设定变形或不变形固壁条件。对于固壁条 件，接触面是不变形的，或者说接触面相对于结构的位移是常量。本文中采 用的是轴对称模型，其计算区域中的固壁不变形条件：流体在壁面上各个方 向的速度大小等于零，即y = 0 。当在黏性流体的结构接触面上施加这种条件 时，其数学意义是指所有的速度分量都为0 。 ( 2 ) 给定速度 与时间相关的速度直接由k = 霹( f ) 给出并施加在边界上。这个速度条件通 常施加在速度已知的入口边界，也可以施加在固壁边界上。当移动壁面上使 用欧拉坐标系时，这个条件也可以应用。在这种情况下，流速等于移动壁面 的速度，而位移为0 。如果要使位移不为0 ，则需要施加移动壁面条件。 ( 3 ) 给定压力 与时间相关的压力直接由p = p ( t ) 给出并施加在边界上。在边界节点上， 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 连续性方程由这个条件替换。 ( 4 ) 移动壁面 移动壁面上的无滑移条件在流体速度和固体速度之间一致，即： 1 ，一j ( f ) = 0 ，这暗示l a g r a n g i a n 公式应用在流体边界节点的各个方向。边界 位移d ( t ) 是需要输入的条件，流体速度是根据位移计算出来的。 2 3a dln a 单位 5 0 在a d i n a 软件有限元分析中，系统没有指定单位，而只要求在分析中 作到单位统一，但是用户在应用过程中往往在单位统一方面特别容易混淆， 从而导致软件分析结果出错。对于梭式止回阀的有限元研究，其涉及到的单 位有：压力、速度、密度、时间、弹性模量、粘度等，其中粘度是流体的一 个重要参数，它是用来表征液体性质相关的阻力因子，只与流体本身属性有 关，单位是p a s 。因此，在进行分析时，最好是采用常用的单位系统，如表 2 1 ，而不是协调的单位系统，减少结果误差。 表2 - 1 参数单位 t a b1 0 2 1u n i t so fp a r a m e t e r s 名称符号 时间 弹性模量 压力 速度 运动粘度 长度 密度 s p n n ，竹s p 口s m k 甜 2 4 本章小结 本章主要论述了梭式止回阀内部流体形态及a d i n a 有限元求解算法和 程序，同时也对文中用到的边界条件进行了简单的数学原理介绍，为下一步 仿真研究分析提供了理论基础。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 3 梭式止回阀流场的前处理分析 本文建立是在对直径为l o o m m 的小口径梭式止回阀的基础上，对直径 为2 0 0 r a m 大口径梭式止回阀模型进行简化分析及优化。小口径梭式止回阀 的结构h 刀如图3 1 所示，主要由阀瓣、阀套、预紧弹簧、阀体等零部件组成， 其工作原理：阀芯内部设置有预紧的弹簧，当介质由左端流入阀门时，克服 弹簧的预紧力，阀芯向右移动，阀门自动打开；当管道系统发生事故工况或 根据工况需要时，阀芯在弹簧的作用下自行快速关闭。 1 阀体；2 阀瓣；3 衬套；4 弹簧；5 螺母；6 阀套 图3 1 小口径梭式止回阀结构示意图 f i g3 1 s k e t c ho ft h es h u t t i ec h e c kv a i v es t r u c t u r e 对于梭式止回阀的运动仿真计算，实际分析区域有三个：a ：流体区域； b ：阀体区域；c ：流体与阀体界面接触处的流固耦合区域。图3 2 为梭式止 回阀的二维平面示意图。 图3 - 2 梭式止回阀流固耦合的几何模型 f i g 3 - 2f i u i d s o i dc o u p iin gg e o m e t r ；cm o d e i 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 从图3 2 可以看出，梭式止回阀在流体里工作时，流体与阀体接触处有 一个流固耦合区域，这个区域涉及到结构与流体的能量传递及动量守恒，从 而反作用于两者的应力和位移变化。因此，如何准确地形容梭式止回阀在流 体中的流场变化，这个耦合区域的求解是至关重要的。在a d i n a 软件里， f s i 求解需要分别建立结构与流体模型，也就是说要对阀体与流体分别进行 建模，条件设定及划分网格等，下面就以阀体在油管中开启的情况为例进行 前处理有限元分析。 3 1模型的建立 在管道中，流体相对于梭式止回阀的运动实际上是轴对称流动，其产生 的各种变化应该是呈轴对称变化。因此，考虑到其流动特性，可以用轴对称 模型作为参考对象。无论是从建模、划分网格和参数设定等前处理方面，还 是从求解效率、显示云图效果等后处理方面来说，二维轴对称模型优于三维 模型，特别是在进行三维划分网格时，在流速大的情