基于ADINA的安溢閥流固耦合技術(shù)研究

崔景芝，江海鋒，劉春姐，葛孝月

0 引 言

氣動活門動態(tài)特性的研究主要采用試驗方法及數(shù)值分析兩種方法。試驗方法直接、可靠，但成本較高；數(shù)值方法不但經(jīng)濟、快捷，而且還可分析出試驗難以考核的工況，有助于全面、系統(tǒng)地了解產(chǎn)品特性。目前，研究氣動活門的數(shù)值方法主要有：a）三維流固耦合模擬；b）系統(tǒng)動力學仿真。三維流固耦合偏重于從場角度研究局部耦合的影響，精細地分析流固耦合作用。

有限元技術(shù)分析仿真軟件（Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis，ADINA）在閥門三維流固耦合（Fluid Structure Interaction，F(xiàn)SI）模擬方面具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢。ADINA軟件通過FSI求解器，將流體模型數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)模型數(shù)據(jù)綜合在一起，構(gòu)造流體和結(jié)構(gòu)零件發(fā)生作用的 FSI界面并形成附加方程，然后對整個系統(tǒng)進行求解[1]。安溢閥工作過程模擬復雜，要完成該項工作，F(xiàn)SI功能是基礎(chǔ)，而動網(wǎng)格控制技術(shù)、控制流體通道的開啟或關(guān)閉（Gap）等功能則是不可缺少的輔助，通過Gap邊界用來模擬不同控制腔之間在不同時刻的打開-關(guān)閉狀態(tài)轉(zhuǎn)換。然而零件在流場中產(chǎn)生運動時，要求流場網(wǎng)格實時進行調(diào)整，為滿足系統(tǒng)的運動協(xié)調(diào)附加方程，可通過ADINA軟件的動網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)[2]。本文采用ADINA軟件建立了氣動安溢閥的整閥三維流固耦合模型，采用等效方法進行了局部流場分析，并對活門的運動特性及各腔壓力進行仿真分析，對于進一步了解閥門特性提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 氣動元件—安溢閥工作原理

作為運載火箭增壓輸送系統(tǒng)中的重要功能元件，安溢閥在工作過程中一直處于動態(tài)調(diào)整狀態(tài)，動態(tài)特性是影響其性能指標的關(guān)鍵因素。調(diào)整過程不僅包含流體的非定常流動、活門的剛體運動以及彈性敏感元件的變形運動，而且還包含流體與活門、流體與敏感元件之間的耦合振動，因此是一種典型的流固耦合問題。高精度安溢閥一般為指揮作用式結(jié)構(gòu)，由主閥和指揮閥組成，主閥是介質(zhì)排出的主要通道，指揮閥控制主閥的啟閉、調(diào)整主閥的開度[3,4]，如所圖1所示。

由圖1可知，當安溢閥入口壓力高于打開壓力時，指揮閥敏感元件在壓差作用下帶動指揮閥拉桿運動，打開背壓腔放氣通道，使背壓腔壓力降低，主閥敏感元件在壓差作用下帶動主閥打開；當安溢閥入口壓力低于關(guān)閉壓力時，指揮閥敏感元件兩側(cè)壓差減小，指揮閥回位運動，關(guān)閉背壓腔放氣通道，打開主閥腔經(jīng)過指揮閥與背壓腔連接的充氣通道，使背壓腔壓力升高，主閥在回位彈簧作用下關(guān)閉[5,6]。

圖1 安溢閥原理圖Fig.1 Principle Diagram of Safety Valve

2 指揮閥環(huán)流間隙等效模擬研究

安溢閥中指揮閥主要起調(diào)節(jié)反饋作用，用來控制安溢閥的精度及靈敏度，指揮閥中的導向間隙對指揮閥動作起如下作用：

a）導向間隙連通主閥腔和指揮腔，在兩側(cè)壓差的作用下形成流動，同時平衡兩腔壓力；

b）導向間隙小、流速大，對結(jié)構(gòu)具有一定阻尼力。

由于導向間隙和結(jié)構(gòu)耦合作用是一個復雜的環(huán)節(jié)，因此對整體流固耦合系統(tǒng)響應起重要影響，但從分析模擬的角度出發(fā)，可以采用一個獨立局部模型來確定其對系統(tǒng)模型的影響，而不用在系統(tǒng)模型中直接體現(xiàn)局部復雜的環(huán)節(jié)。因為局部的復雜性可增加系統(tǒng)模型的復雜性，導致模型的建模和求解困難，從而無法保證系統(tǒng)模型的準確性和順利求解[7,8]。

采用局部模型進行計算時，首先只是通過流場計算獲得阻尼力，然后將阻尼力施加在結(jié)構(gòu)上再次進行流固耦合分析，這樣就可以在系統(tǒng)模型中考慮阻尼力的影響。主要過程如下：

a）建立以等效導向間隙面積實現(xiàn)流量的模型，完全不考慮阻尼力，進行流固耦合系統(tǒng)的計算，同時提取各個腔流體壓力的變化曲線；

b）建立導向間隙局部真實模型，將上述計算獲得的各個腔壓力變化載荷施加在獨立局部模型的入口，獲得獨立局部模型的流動特性及其對結(jié)構(gòu)形成的作用力（由于與導向間隙的流體相比，結(jié)構(gòu)（即拉桿）運動速度遠遠低于流動速度，對于導向間隙的流場和流動不構(gòu)成明顯的影響，因此這樣的假設(shè)是成立的）；

c）將流場仿真獲得的阻尼力施加到系統(tǒng)模型中，重新進行計算，從而獲得施加阻尼力的計算結(jié)果；

d）驗證結(jié)果阻尼力施加的有效性。

3 建立以等效導向間隙面積實現(xiàn)流量的模型

建立導向間隙環(huán)流的等效流固耦合模型，導向間隙的流量是按照流量直徑等效，如圖2所示，在主閥腔和指揮腔之間建立一個連通管，獲得其等效直徑及等效面積。

圖2 間隙環(huán)流等效模型Fig.2 Equivalent Model of Gap Circulation

在完全不考慮阻尼力的情況下，可獲得安溢閥的整體系統(tǒng)特性。在大流量及額定流量工況下，各個邊界的壓力變化通過ADINA軟件進行處理，并將處理后的數(shù)據(jù)輸出功能整理為TXT格式文件，這些文件當作曲線數(shù)據(jù)在獨立局部模型中讀入并施加在相應邊界上。

3.1 建立導向間隙局部真實模型

建立真實構(gòu)型的局部模型（見圖3），通過布爾運算，獲得環(huán)流間隙的物理尺寸。局部模型與外界流場相連的位置為邊界，需要引入計算獲得的壓力變化數(shù)值作為邊界條件，通過局部模型的計算，提取相應流場條件下的局部模型提供給指揮閥的阻尼力。

圖3 局部模型Fig.3 Particle Equivalent Model

在等效局部模型中，施加壓力條件的邊界有 4個（見圖4），分別是：

a）指揮腔連接到主腔的端面；

b）指揮腔作用于膜盒的阻尼孔端面；

c）指揮腔拉套內(nèi)部流場連通端面；

d）指揮腔與拉套外側(cè)流場連通端面（導向間隙）。

圖4 局部模型的施壓邊界Fig.4 Boundary of the Particle Model of Gap Circulation

通過計算得到4個端面的壓力變化結(jié)果如圖5所示。

圖5 邊界壓力變化Fig.5 Transformation of Boundary Pressure

由圖5可知，將圖5a～d曲線中的數(shù)據(jù)以TXT數(shù)據(jù)格式讀入到局部模型中，并作為輸入?yún)?shù)，啟動局部模型的計算。

3.2 阻尼力等效計算

通過局部模型計算，獲得局部模型給出的對結(jié)構(gòu)的作用力，這種作用力在x，y，z 3個方向都存在，但只考慮z方向的作用力曲線，如圖6所示。圖6中的曲線數(shù)據(jù)同樣可以用 ADINA軟件的參數(shù)傳遞再次傳遞給系統(tǒng)模型，作為時間-力曲線施加在指揮閥拉桿中心點。

圖6 局部模型計算獲得阻尼力曲線Fig.6 Damping Force Curve Calculated in Particle Model

將阻尼力曲線施加到整體模型中并重新進行計算，從而可以獲得考慮阻尼力的計算結(jié)果。

3.3 等效模型驗證

為了驗證此方法的有效性，將阻尼力等效計算獲得的邊界壓力曲線與建立以等效導向間隙面積實現(xiàn)流量的模型相應曲線進行比對，可以發(fā)現(xiàn)兩組曲線趨勢相近，如圖 7所示。因此可進一步判斷如果將考慮阻尼力的結(jié)果作為局部模型的輸入條件，可以獲得更為準確的阻尼力，這是一個迭代收斂的過程。

圖7 兩種情況的阻力曲線對比Fig.7 Damping Force Comparison Curve

4 仿真結(jié)果分析

通過仿真計算可知，在大流量工況中，試驗系統(tǒng)控制輸入氣枕流量的孔板前入口壓力從0.2 s的初始壓力線性增大到0.3 s的1.5 MPa并一直保持不變。在計算過程中，最長步長為0.05 s，最小步長為0.001 s，總計算步數(shù)為1 500 步，模擬的物理時間為5 s，計算時間約36 h?；铋T運動過程中主閥及指揮閥的特性曲線如圖8所示。

圖8 活門運動特性曲線Fig.8 Movement Curve of Valve

由圖8可知，在大流量工況下，指揮閥開啟時間為0.74 s，主閥在0.83 s時開啟，兩者延遲時間為0.09 s。主閥開度最大約為 3.66 mm，之后將呈現(xiàn)某個主頻率主導的振蕩運動，振蕩幅度逐步減小，但在5 s的時間內(nèi)，主閥仍未達到穩(wěn)定或者靜止。對于指揮閥，初次開啟、關(guān)閉后并非一直處于關(guān)閉狀態(tài)，在主閥的振蕩過程中，指揮閥仍開啟，但開啟的開度很小，時間很短。此外，在模型中由于指揮閥的初始位置不為零，因此在0～0.2 s的過程中，指揮閥為了達到關(guān)閉的位置，具有一個很小的位移，此位移發(fā)生后其所在的位置是指揮閥的初始位置。

在活門工作過程中，流場的開啟、關(guān)閉導致了流場不同腔的壓力發(fā)生明顯的變化。主閥腔、背壓腔的壓力變化過程如圖9所示。

圖9 主閥腔和背壓腔的壓力變化曲線Fig.9 Pressure Curve of Main Valve and Control Valve

由圖 9可知，背壓腔開啟前主閥腔和背壓腔的壓力變化相同，背壓腔開啟時的壓力值為0.376 MPa時，背壓腔壓力迅速降低，并維持在0.2 MPa附近振蕩。主閥腔的壓力也經(jīng)歷升高、降低并振蕩的過程，并有趨于穩(wěn)定的跡象。

5 結(jié) 論

a）采用ADINA軟件，建立了安溢閥三維流固耦和分析的動力學模型，對于間隙流場，建立了等效模型與真實模型進行了比對分析；

b）采用等效模型進行了額定流量與大流量的仿真計算，獲得了閥門內(nèi)運動部件的運動曲線以及主閥腔與背壓腔的壓力變化曲線；

c）對于充分了解安溢閥結(jié)構(gòu)部件的運動特性與流場的邏輯關(guān)系提供理論支持。