基于ADINA的梭式止回阀流固耦合能分析及....doc

基于ADINA的梭式止回阀流固耦合性能分析及优化*程国栋蔡勇臧红彬 刘罡王江勇（西南科技大学 制造科学与工程学院, 四川 绵阳 621010）【摘要】梭式止回阀作为管道非能动技术的关键组成部分，可以在无人力或外加动力驱动下自动实现管道系统的安全保障作用，可以有效地降低输流管道中意外事故的发生。文章围绕大口径梭式止回阀的流固耦合性能数值分析展开，以ADINA软件为平台，建立梭式止回阀的流固耦合有限元模型，对管道流场进行动态分析，给出了数值模拟计算数据。根据分析结果，对梭式止回阀的结构设计提出了优化方案。关键词：梭式止回阀；ADINA；流固耦合；输流管道中图分类号: TH 文献标识码：ADINA-based Spindle Type Check Valve Fluid-solid Coupling Performance Analysis and OptimizationCheng Guo-dong，Cai Yong，Zang Hong-bin, LiuGang, Wang Jiang-yong(School of Manufacturing Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang，Sichuan 621010，China)AbstractSpindle type check valve is the most important part of piping inactive technology，and can automatically achieve the pipeline system security role by no human or plus driving. then it can effectively reduce the infusion pipeline accidents occurrenceThis paper focus on large diameter spindle type check valve on fluid-solid coupling numerical analysisBy relying on ADINA software，fluid-solid coupling finite element model of the spindle type check valve can be established ,and then pipe flow field for dynamic analysis will be to doAt last，numerical simulation results are introduced in detail. According to the results of analysis, an optimized scheme for the spindle type check valve structure design will be provided.Key words：spindle type check valve; ADINA; fluid-solid coupling; lose flow pipe引言由于止回阀能防止管路中的介质倒流，主要用于介质单向流动的管道上，只允许介质向一个方向流动，以防止发生事故，因此被广泛应用于石油、化工、热力网、冶金、自来水等领域。一般止回阀靠重力关闭，安装位置受到限制，密封性能较差。由曾祥炜研究员发明的梭式止回阀结构设计合理，安装不受位置限制，其优越性在相关大型企业得到了充分体现1。但目前只有小口径（直径在100mm左右）的梭式止回阀投入了一些领域的使用，在大口径（直径不小于200mm）的梭式止回阀研究中还有很多性能需要做大量地试验与分析。ADINA系统是一个单机系统的程序，是全球通用流固耦合最强的有限元分析软件，其非线性问题稳定求解、多物理场仿真等功能一直处在全球领导地位。本文分别建立流体与固体有限元模型，再通过ADINA的FSI模块对两者进行调用进行流固耦合分析，得到了相关应力云图及压力曲线，为大口径的梭式止回阀性能优化提供准确的数据依据，并减少研发的成本与周期。 *四川省教育厅项目资助（项目编号：10ZC011，学校编号：10zd1140）来稿日期：2011-4-26 流固耦合的数学模型流固耦合动力学的重要特征是流体和固体两种介质之间的交互作用，即由于流体的压力或流速变化引起固体的移动，而固体位移的变化反过来又影响到流体的压力或流速，从而改变流体载荷的分布和大小以下就梭式止回阀中的实际流体和流固耦合及求解程序方程进行简要介绍。1.1实际流体方程（1）不可压缩流体本文中的流体是不可压缩粘性流体，在计算流体力学（Computational Fluid Dynamics ,缩写为CFD）中通常采用守恒型的N-S方程，便于数值计算根据连续性方程，其方程形式2可写为： （1）其中，p为压力，为密度，为坐标系x,y,z轴上速度分量。（2）层流流动根据雷诺数的大小，可以判断本文的流体是层流。若不计质量力，二维流体流动就满足下列基本方程和边界条件：（2）其中，x轴沿管道方向，运动粘度。因为管道足够长，相对于二维的平板足够大，端部的影响可以忽略。则上式可写为速度分布方程式： （3）其中，为动力粘度。由此可知：速度分布跟沿流动方向的压力梯度有关。1.2流固耦合方程文中是流体采用压力、固体中采用位移的模式进行耦合分析。而起初采用的位移法结构分析程序来计算耦合系统容易出现零能模式，不宜推广。因此ADINA采用经典流体的流固耦合有限元方程3是：（4）式中：Q流固耦合矩阵，联系着流体与阀体的控制方程，转化相互作用力为耦合节点力；p、Mf、Kf、f指流体节点压力向量、质量阵、刚度阵、流体密度；a、Ms、Ks、Fs是指阀体节点位移向量、质量阵、刚度阵、载荷向量。1.3网格求解方程由于阀体相对于管道流体移动带来了单元网格的大变形，容易造成计算结果误差增大。为了方便解决这个问题，ADINA等软件侧重于使用有限差分法及其扩展起来的有限体积法。对于二维流体问题，控制体积为正方形，以Jameson为代表对结构网格用格心格式研制Euler方程程序FLO-574，由于运算快，结果误差小，能满足一定的工程精度，在ADINA中也得到了充分的应用。其有限体积法方程5为： （5）即的变化等于通过单元的四个边的流量之和2 流固耦合的有限元模型2.1建立模型在管道中，流体相对于梭式止回阀的运动实际上是轴对称流动。但考虑到其流动特性，可以用二维模型作为参考对象。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，二维模型优于三维模型。因此本文采取的是二维建模。在实际情况中，还有一些复杂小零件，比如连接孔、螺钉、弹簧、圆角，垫片等，但这些小零件不影响阀体在管道流场中的大体性能。所以在进行有限元模型分析时，可以忽略这些因素，建立简化模型。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1为梭式止回阀的二维平面示意图。图1梭式止回阀流固耦合的几何模型Figure 1 Spindle type check valve fluid-solid coupling geometric model2.2模型参数假定弹性材料是单一同向性。假定阀体对冲流体运动中，阀体是匀速关闭。假定管道两端的流体速度和压力保持不变。忽略流体冲击对管道壁的厚度变化。根据实际情况，可以选择左端流体入口处流速为50m/s，右端暴露在空气中，即P=105Pa。流体的密度为1000kg/m， 粘度为0.0001Pas阀体弹性模量21011Pa，泊松比为0.3，密度为7800kg/m3，平移的位移为0.05m。设定边界条件时，管道为wall，阀体周围接触流体处都设为Fluid-Sructure-Interface。划分网格，流体与阀体产生的模型效果分别为图2，图3。图2施加边界条件后的流体模型图3施加边界条件后的阀体模型Figure 2 Fluid model after exert boundary conditions Figure 3 Valve body model after exert boundary conditions3 结果分析与结构优化3.1结果分析根据上述流固耦合数学模型方程，流体与结构网格独立，并有公差许可，ADINA软件进行仿真模拟计算就可得出阀体与流体的结果云图。图4 流体压力分布云图图5 阀体压力分布云图Figure 4 Fluid pressure distribution image Figure 5 Valve body pressure distribution image图6 流体流场速度矢量图 图7 流体极压节点246的压力变化曲线Figure 6 Fluid flow velocity vector diagram Figure 7 Fluid extreme pressure node 246 pressure changes curve通过仿真结果云图分析结果,可以得出以下结论：1、由图4可知,管道流体的最大压力在阀体与管道壁最窄处,即Pmax=5.085108Pa,为云图的节点86处。最小压力处于流速最大的地方,即Pmin= -1.769108Pa，为云图的节点104处。 在阀体平移过程中,右端的流体压力变化小,左端的流体压力变化大,在阀体接近管道壁处,压力变化最大。2、由图5可知,最大有效应力为管道流体压力在阀体右端变化处,最小有效应力在阀体的最右端。总体上来说,阀体的有效应力都很小,阀体所受的最大有效应力与最小有效应力之间的变化不大。3、由图6可知, 右端流体压力比左端大,最大流速为736.4m/s。管道流体是对称流动,从管道右端流向左端。在阀体接近管道壁处呈对射状态,流速变化大。4、为了进一步地弄清楚流固耦合作用下管道流体的流动特性, 在阀体与管道壁之间的最窄处，选择压力变化最大且流体环境复杂的流体节点246作为参考。由图7可知,流体输送瞬变过程开始一段时间内,节点压力突然大幅度增加，而后节点压力处于整个流场过程中的最小值.这是因为输送起始阶段，管内压力、流速参数等发生了改变，阀体前端形成对冲流体，造成管道内部局部流体的晃动，流体随即又以动流压力的形式反作用于阀体和管道，诱发阀体振动，从而移动需要一个适应调整时期。过了压力调整过程，节点压力数据很快收敛并缓慢增大。但在某一个时刻点突然增大,然后大幅度提升,这是由于阀体闭合是匀速移动,在接近管道节流处,流通面积变小,流速增大,压力变化也增大;当阀体停止移动时,节点压力趋于平稳。因为流体的对冲性,致使局部流体不均匀,节点压力增长曲线在各阶段不是恒定的斜率,但总体上都是逐渐平稳增大。3.2结构优化通过上述结论，我们可以得知，管道流体从右向左流动，在阀体前端，各分层流体会互相发生强烈的混合干扰，致使流动环境恶劣，容易造成压力脉动，引起管道系统振动与噪音，严重时可损坏管道或梭式止回阀。因此，针对这些问题，我们修正了梭式止回阀的阀瓣型线和管缩处的流通直径，重新建立阀体有限元模型，设定相同的流固耦合参数，进行仿真分析，得到了以下的结果云图：图8流体压力分布云图图9阀体压力分布云图Figure 8 Fluid pressure distribution image Figure 9 Valve body pressure distribution image图10流体流场速度矢量图图11流体极压节点337的压力变化曲线Figure 10 Fluid flow velocity vector diagram Figure 11 Fluid extreme pressure node 337 pressure changes curve通过上面的仿真云图，我们可以得出以下结论：1、由图8可知，流体的最大压力PMAX6.107109Pa，在阀体右端，接近于阀体与管壁之间的最窄处。流体的最小压力PMIN=-1.877108Pa，在阀体左端的尖端处。从整个仿真过程来看，阀体左端的流体压力变化小，右端的流体压力变化大，而且压力变化最大的地方是阀体与管壁之间的最窄处。在阀体关闭的一瞬间，右端流体的压力仍处于较大的变化状态中。2、由图9可知，阀体的最大有效应力与最小有效应力都在阀体内部，同时两者相差不大。整个阀体的有效应力变化不大，可忽略其影响。3、由图10可知，左端流体压力比右端大，流体的最大流速是1929m/s，从管道左端流向右端。阀体一直处于对冲状态。阀体接近管壁的通流处，流速较大，但仍处于层流状态。4、为了便于跟优化前的流场性能进行对比，应选择相同位置的节点作为参考，即在阀体与管壁之间的最窄处，选择压力变化最大且流体环境复杂的节点337进行压力变化分析。由图11可知，阀体移动的一瞬间，流体压力突然发生变化，但流动状态没有发生改变，因此，节点压力短时间内增加到最大值，而后很快收敛并较平稳的降低，整个压力曲线较光滑，抖动较少。直到阀体快关闭的某一时刻，节点压力才大幅度的降低到最小值，并很快小幅度的提升到某个值，这是由于阀体接近管壁时，流体流通截面较快的缩小，阀体前端产生了较大的突缩局部阻力，引起流体流经阀体截面的阻力损失明显增大，导致阀体短暂的“失稳”。4 分析对比根据结构优化前后的不同分析结果，容易得到以下的相同点和不同点：相同点：1、阀体移动都有一个调整适应过程。2、流体压力变化总体都是呈一种趋势。不同点：见表1表优化前后的流场变化Table 1 Optimize the flow field changes before and after优化前优化后流体流动方向从右端流向左端从左端流向右端流体最大流速736.4m/s1929