閥門流固耦合的研究進展

錢錦遠，楊佳明，吳嘉懿，金志江

（浙江大學 化工機械研究所，杭州 310027）

0 引言

閥門是流體輸送過程中的重要控制部件，廣泛應于能源、化工、航天等領域，其主要由節(jié)流件與承壓件組成。流體流過節(jié)流件時，會產(chǎn)生渦流、不穩(wěn)定流動、空化等現(xiàn)象，加劇了流場的復雜程 度［1］。復雜的流場與閥門結構相互作用，產(chǎn)生各種流固耦合現(xiàn)象。隨著應用工況的不斷升級，閥門的各項性能指標也不斷提高。因此，出現(xiàn)了大量應用于大流量、高溫高壓、高壓差等復雜工況下的閥門，這些工況下閥門的流固耦合現(xiàn)象會更加明顯。

當流固耦合現(xiàn)象達到一定程度時，會影響閥門的使用性能和安全性，表1 列舉了部分因流固耦合現(xiàn)象導致閥門失效的案例。從中可以看出流固耦合現(xiàn)象會對閥門及與閥門相連的多種部件產(chǎn)生損傷，并最終導致閥門工作效率下降乃至失效。因此，對閥門的流固耦合現(xiàn)象進行研究十分必要。

1 閥門流固耦合分析的理論基礎

流固耦合現(xiàn)象是由流體與固體結構相互作用而產(chǎn)生的，其具體表現(xiàn)為：流體作用于固體結構，使固體結構產(chǎn)生變形或位移，而變形或位移的固體結構反過來又作用于流體，使流場發(fā)生改變［7］。需要注意的是，有時雖然存在流、固兩相，但不一定屬于流固耦合范疇，如利用旋風分離器分離高速氣流中的固體顆粒，則屬于離散相模型。

流固耦合根據(jù)流體與固體結構耦合機理，可分為兩類。第一類是流體與固體結構相互重疊、滲透，很難區(qū)分出流體與固體結構的交界面，如水流對巖土的侵蝕、大氣對鐵塊的銹蝕等。對于這類現(xiàn)象，通常是通過建立特定的本構微分方程進行描述。第二類是流體與固體結構存在明顯的交界面，流固耦合主要在流、固兩相交界面上發(fā)生，其耦合作用通過界面力進行傳遞［8-9］。此時，流、固兩相交界面應滿足位移相等、能量守恒、溫度相同且合應力為零等條件［10-11］。閥門內(nèi)部流場 和固體結構一般存在明顯的交界面，因此屬于第二類。

根據(jù)流固耦合產(chǎn)生機制的不同，可以將其分為摩擦耦合、泊松耦合和連接耦合等。摩擦耦合是流體在兩相交界面處與固體結構存在相對運動并產(chǎn)生摩擦力，從而引發(fā)的流固耦合現(xiàn)象。一般情況下，摩擦力很小，摩擦耦合也可忽略。泊松耦合是流場壓力與固體結構相互作用，從而產(chǎn)生的流固耦合現(xiàn)象。連接耦合是流體流經(jīng)連接處或節(jié)流件處時，流場的速度和壓力發(fā)生突變，從而與固體結構產(chǎn)生較強的耦合作用［12］。在大部分情況下，閥門內(nèi)的流固耦合主要以泊松耦合和連接耦合為主。

結合表1 可以看出，由流固耦合現(xiàn)象導致閥門失效的案例中，流場的壓力都較高。這是由于此時，流體對固體結構的作用十分明顯，流場本身也更加復雜，更容易產(chǎn)生旋渦、不穩(wěn)定流動等現(xiàn)象，進一步加劇了泊松耦合與連接耦合的作用。

根據(jù)是否考慮流固耦合現(xiàn)象，閥門的研究方法可以分為單場分析和流固耦合分析。單場分析僅對閥門的流場或固體結構進行研究。當流體與固體結構相互作用不明顯時，單場分析可以得到較為準確的結果。國內(nèi)外許多學者利用單場分析對閥門進行了研究，如Qian 等［13-14］研究了先導式截止閥內(nèi)的流場及空化情況，通過與前人的模擬結果及實驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了單場分析的準確性。俞樹榮等［15］通過在閥體內(nèi)表面施加壓力來代替流場，采用單場分析研究了結構參數(shù)對閥體強度的影響，并對閥體結構進行了優(yōu)化，顯著降低了閥體的最大應力。

流固耦合分析考慮了流體與固體結構的相互作用，更符合閥門的實際情況。當流場壓力較大、流動復雜時，可以得到比單場分析更為準確的分析結果。隋浩等［16］分別采用流固耦合分析和單場分析得到了軸流式止回閥內(nèi)的應力分布，并與閥門的實際情況進行對比，發(fā)現(xiàn)了流固耦合分析得到的結果更準確。張凱宏等［17］分別采用兩種研究方法得到了球閥在關閉時的水擊壓強，發(fā)現(xiàn)了流固耦合分析所得到的水擊壓強較單場分析的小，這是由于在水擊作用下，固體結構發(fā)生變形，并吸收了一部分水擊能量。Cao 等［18］分別采用試驗方法、流固耦合分析和單場分析得到了大流量控制閥的流量和壓力分布，發(fā)現(xiàn)流固耦合分析得到的結果與試驗數(shù)據(jù)更加吻合。此外，Cao 還發(fā)現(xiàn)單場分析與流固耦合分析得到的結果，在閥體壁面處的差別最大。這是因為在壁面附近閥門的流固耦合現(xiàn)象最明顯，此時流固耦合分析得到的結果更符合實際情況。

流固耦合分析能同時得到流場與固體結構的信息，這是單場分析無法做到的。此外，流固耦合分析更符合閥門的實際情況，能得到更準確的結果，因此近年來越來越多的學者采用流固耦合分析對閥門進行研究。

2 閥門流固耦合分析的試驗方法

固體結構的振動、變形等是閥門流固耦合現(xiàn)象的直觀體現(xiàn)，在試驗時可以直接測量。振動會影響閥門的使用性能和安全性，其不僅會產(chǎn)生噪聲，還可能導致閥門效率下降、發(fā)生泄漏甚至失效。利用加速度傳感器、位移傳感器等傳感器可以直接得到固體結構的振動信息。國內(nèi)外學者對閥門的振動進行了大量的試驗研究。如 DeBoo 等［19］利用加速度傳感器研究了電磁泄壓閥與安全閥的聲腔共振現(xiàn)象，得到了閥門整體結構的振動加速度。Bazsó 等［20］利用電感式位移傳感器研究了泄壓閥的顫振現(xiàn)象，得到了閥桿的振動位移。張微等［21］通過在閥門試驗件上安裝振動傳感器的方法，研究了調(diào)節(jié)閥的振動現(xiàn)象，獲得了不同開度時閥體的振動速度，其具體試驗系統(tǒng)參見文獻［21］。

在流場作用下，閥門會發(fā)生變形。當變形量過大時，閥門會發(fā)生泄漏、失效甚至破裂解體等現(xiàn)象。利用應變片和應變花等元器件可以得到固體結構的應力和應變分布。薛子萱等［22］利用應變花、應變片等，研究了球閥殼體在升壓-保壓-降壓過程中的應變情況，結果表明，在升壓過程中，閥體各部位由于流場的作用應變逐漸增加，而在保壓過程中，各部位的應變會出現(xiàn)小幅度的降低。

對流場進行試驗研究，可以幫助研究者們更好地理解流固耦合現(xiàn)象。研究者們通常采用激光多普勒測速、顆粒示蹤等方法得到閥門內(nèi)部的流場信息，并根據(jù)流場信息可以對閥門的流固耦合現(xiàn)象進行預測和驗證。如王國玉等［23］利用高速攝影機觀察了放水閥的內(nèi)部空化，發(fā)現(xiàn)旋渦空化導致閥門劇烈振動的現(xiàn)象。Zhang 等［24］利用壓力傳感器得到了蒸汽調(diào)節(jié)閥的壓力分布，發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定流動及導致的壓力波動是該閥門產(chǎn)生振動的主要原因。

然而，試驗方法也存在較多的局限性，其一般需要投入大量的人力和物力。同時還受試驗條件、測量手段及測量精度等限制，經(jīng)常存在試驗條件達不到實際工況、試驗數(shù)據(jù)采集困難等問題。

3 閥門流固耦合分析的數(shù)值方法

隨著計算流體力學CFD 及流固耦合理論的發(fā)展，數(shù)值模擬被廣泛地應用于閥門的流固耦合分析。目前，能對閥門的流固耦合進行數(shù)值模擬的軟件包主要有：ADINA、CFX+Workbench、FLUENT+Workbench、FLUENT +MPCCI+ABAQUS 和COMSOL 等。 對 于 非 線性問題，ADINA 具有較強的處理能力［25］，但其前處理能力較弱。CFX+Workbench 及FLUENG +Workbench 對線性問題處理能力較強。其中，CFX 的物理模型豐富，更容易收斂，但是其動網(wǎng)格技術不如FLUENT 成熟；對于大變形問題而言FLUENT+Workbench 更具有優(yōu)勢［26］。此外，F(xiàn)LUENT 對非結構網(wǎng)格的處理能力更強、UDF 的使用更加方便［27］，因此其對復雜結構的研究能力更為突出。FLUENT+MPCCI+ABAQUS 繼承了FLUENT 對流場計算以及ABAQUS 對固體計算的優(yōu)勢，目前也被廣泛地運用于閥門的流固耦合模擬中［28］。

3.1 單向流固耦合與雙向流固耦合

在流固耦合模擬中，流場將壓力傳遞給固體結構，固體結構將節(jié)點位移傳遞給流場。根據(jù)數(shù)據(jù)是否雙向傳遞，流固耦合模擬可分為單向流固耦合與雙向流固耦合，其數(shù)據(jù)傳遞方向具體如圖1 所示。

圖1 單向與雙向流固耦合模擬數(shù)據(jù)傳遞方向Fig.1 Data transfer direction of unidirectional and bidirectional FSI simulation

3.1.1 單向流固耦合

單向流固耦合即流場與固體結構之間的數(shù)據(jù)為單向傳遞。根據(jù)數(shù)據(jù)傳遞指向，可分為流-固單向耦合和固-流單向耦合。流-固單向耦合是流場將壓力傳遞給固體結構，而固體結構的節(jié)點位移并不反饋給流場。固-流單向耦合是固體結構將節(jié)點位移傳遞給流場，而流場的壓力并不反饋給固體結構。

流-固單向耦合忽略了固體結構對流場的影響，主要用于閥門的靜力學分析［29］、小幅度振動特性研究［30］等。劉長亮等［31］采用流-固單向耦合，研究了蝶閥在不同開度下蝶板上的應力分布，并根據(jù)模擬結果，將蝶板與閥桿連接處加厚，顯著降低了蝶板的應力和變形。婁燕鵬［32］采用CFD 方法對高壓降蒸汽疏水閥的流場進行了模擬，再將流場壁面的壓力脈動作為激勵導入LMS Virtual.Lab，獲得了閥體的振動響應，結果表明節(jié)流孔孔徑越大，疏水閥的總振級越大。

固-流單向耦合忽略了流場對固體場的影響，可以用流場求解器單獨完成，主要用于模擬處于運動狀態(tài)的閥門固體結構對流場的影響。葉萬權等［33］考慮到減震器復原閥的實際運動情況，將流場的初始狀態(tài)設置為從零開始的正弦波，通過模擬結果與試驗數(shù)據(jù)的對比，驗證了模擬的準確性與可行性。Yonezawa 等［34］對某電廠的主蒸汽調(diào)節(jié)閥進行了固-流單向耦合模擬，將閥頭的運動方式設置為理想正弦函數(shù)，獲得了該閥的振動特性，發(fā)現(xiàn)了流場響應與閥頭運動之間的相位滯后現(xiàn)象，以及可能引起控制閥自激振動的結果。

3.1.2 雙向流固耦合

雙向流固耦合是在每次迭代過程中，分別進行一次流場和固體結構的計算，然后通過中間平臺相互交換數(shù)據(jù)，再進行迭代計算，直到收斂為止。根據(jù)是否考慮固體結構變形，雙向流固耦合可以分為無變形雙向耦合和有變形雙向耦合。

無變形雙向耦合是將固體結構視為剛體，只考慮固體結構在流場作用下的位移，而不考慮固體結構的變形。周振鋒［35］采用無變形雙向耦合對電液伺服閥進行了研究，得到了閥芯和彈簧管在流場作用下的位移量和閥門的應力分布。Hwang 等［36］同樣采用無變形雙向耦合分別研究了考慮與不考慮排氣閥內(nèi)部件位移2 種模型下壓縮機排氣閥的性能，并將模擬結果與實驗數(shù)據(jù)進行比較，發(fā)現(xiàn)考慮閥門內(nèi)部件運動的耦合模型可以得到更準確的結果。

有變形雙向耦合既需要考慮固體結構在流場作用下位移，還需要考慮固體結構的變形。該方法適用于研究閥門的大變形、大幅度振動等情況。林礪宗等［26］采用有變形雙向耦合，對某氣壓密封閥的變形進行了研究，發(fā)現(xiàn)在額定壓力下，控水環(huán)的變形量與流體壓力呈正線性關系。尤澤廣［27］采用有變形雙向耦合，對某天然氣管道減壓閥各個部位的疲勞壽命進行了研究，發(fā)現(xiàn)無論是靜載荷還是隨機振動載荷，閥門的最小疲勞壽命總是發(fā)生在減壓閥的進口管段到閥座的拐角處。

雙向流固耦合模擬更接近閥門的實際工作情況。陳楊［37］分別采用單向流固耦合與雙向流固耦合分析了三偏心蝶閥在45°開度時的應力應變，發(fā)現(xiàn)兩種模擬結果差距較大，認為是由于閥門的變形較大，單向流固耦合不能得到較準確的結果。但是雙向流固耦合計算難度大、花費資源多、難收斂，尤其是有變形雙向耦合，這方面的研究還不普遍。因此，在模擬過程中，應根據(jù)實際情況，選擇合適的耦合模型。表2 歸納了部分國內(nèi)外學者利用流固耦合模擬對閥門的研究情況，可見振動特性、應力應變以及流場分布是流固耦合模擬的主要內(nèi)容。

表2 部分國內(nèi)外學者利用流固耦合模擬對閥門的研究Tab.2 Researches of some scholars at home and abroad on valves using FSI simulation

3.2 雙場耦合與多場耦合

流固耦合可以根據(jù)耦合場數(shù)，分為雙場耦合與多場耦合。

3.2.1 雙場耦合

雙場耦合在多數(shù)情況是流場與固體結構的耦合，此種情況的案例前文已經(jīng)做了大量闡述，這里不再贅述。除此之外，也有一些學者利用聲固耦合來代替流固耦合。該方法是將流場區(qū)域視為聲場，利用聲場代替流場來進行耦合。利用聲固耦合替代流固耦合，可以不受流體載荷類型的限制，能更好地模擬復雜的流場，只需給定流體介質的體積模量以及密度［45］。該方法適用于閥體外壓力較大、流場較復雜的閥門，如深海閥會受到水壓、海浪、洋流、地震等一系列外載荷的影響，這時需要考慮外流場與閥門固體結構的相互作用。張希恒等［46-47］分別利用聲固耦合和流固耦合，分析了深海閥門的振動特性，并將兩者的計算結果進行比較，發(fā)現(xiàn)兩者在低階振動上，具有較好的一致性，但在高階振動上差異較大。

然而，利用聲固耦合代替流固耦合也有自身的局限性，其無法考慮流體的相變過程（如空化），也無法處理含時變附加質量效應的模態(tài) 計算。

3.2.2 多場耦合

閥門的多場耦合，主要有熱流固耦合和聲流固耦合等。熱流固耦合是在流固耦合的基礎上考慮溫度場對閥門結構和流場的影響［48］。在實際工況下，受溫度的影響，閥門的固體結構會發(fā)生變形。當各處變形不能協(xié)調(diào)時，固體結構會相互約束從而產(chǎn)生的內(nèi)應力，這種內(nèi)應力即為熱應力。當閥門所處環(huán)境溫度十分極端，或固體結構溫度梯度較大時，會產(chǎn)生較大的熱應力，此時不能忽略溫度場對閥門流場和固體結構的影響。因此，往往需要采用熱流固耦合。熱流固耦合的求解過程為：首先對流場求解得到壓力場，其次將流場溫度加載到固體結構，得到固體結構的溫度場，最后將壓力場與溫度場加載到固體結構，從而得到結構變形場，其過程如圖2 所示。

國內(nèi)外學者利用熱流固耦合對閥門進行了大量的研究，Li 等［49］利用熱流固耦合，對某蒸汽疏水閥進行了研究，獲得了該閥的溫度和應力分布情況，發(fā)現(xiàn)了閥門的危險點。王新海等［50］利用熱流固耦合分別研究了液化天然氣球閥在深冷和常溫工況下的溫度分布、變形情況和應力集中現(xiàn)象等，發(fā)現(xiàn)閥門在深冷工況時的變形量最大。余航等［51］利用熱流固耦合分析了在溫度快速變化時止回閥的熱應力和熱變形，發(fā)現(xiàn)溫度變化較快時，閥內(nèi)會產(chǎn)生較大的熱應力。Marek 等［52］同樣研究了蒸汽閥的熱流固耦合現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)溫度越高、溫度梯度越大，閥門的熱應力也越大。

圖2 熱流固耦合的求解過程Fig.2 Solution process of thermal-fluid-structure interaction

此外，固體結構的振動、流場的空化等現(xiàn)象會產(chǎn)生噪聲，噪聲會影響設備的正常運行。利用聲流固耦合可以得到閥門的噪聲分布情況，為閥門的降噪技術研究提供參考。張師帥等［53］利用聲流固耦合對冰箱壓縮機吸氣閥組進行了模擬，得到了不同厚度閥片的位移、熱應力和相應的噪聲等信息。祖洪彪等［54］研究了閥門的流致聲共振，發(fā)現(xiàn)閥門的腔體和管道的幾何參數(shù)對聲模態(tài)的影響較為明顯。

3.3 流固耦合模擬發(fā)展方向

借助流固耦合模擬，可以對閥門的應力應變、振動特性等問題進行研究，可為閥門的設計和結構優(yōu)化提出指導性意見。但流固耦合模擬依然存在一些不足，如計算速度較慢、大變形問題處理能力較弱、計算準確性較低等。針對這些問題，研究者們也提出了一些新的思路。

目前，針對閥門的流固耦合模擬多采用弱耦合，即流場與固體結構分別求解再通過耦合界面進行數(shù)據(jù)交換。弱耦合在各個時間步之間流場和固體結構缺少耦合，因此計算精確程度較低。強耦合是構建統(tǒng)一的控制方程，同時求解流場和固體結構，使耦合界面成為統(tǒng)一的求解區(qū)域［10］。強耦合能獲得更準確的耦合現(xiàn)象，且不存在時間滯后等問題。但強耦合的主要缺點是在構造控制方程過程中常常需要對問題進行簡化，計算準確度較難保證［55］。而隨著計算機技術和流固耦合理論的發(fā)展，強耦合將成為流固耦合模擬的主要發(fā)展方向之一。

在流固耦合模擬中，固體結構的網(wǎng)格往往采用的是拉格朗日描述，即著眼于物質點的描述，而流場的網(wǎng)格往往采用歐拉描述，即著眼于空間點的描述。在處理大變形、大位移等情況時，可能會出現(xiàn)耦合面運動學協(xié)調(diào)條件不滿足的情況。針對此問題，研究者們提出了ALE 移動網(wǎng)格法。該方法克服了拉格朗日法的網(wǎng)格畸變問題，可以實現(xiàn)跟蹤自由表面流動，在流固耦合分析中有較大發(fā)展?jié)摿Γ?］。仲繼則等［56］也提出一種快速動網(wǎng)格法，采用同時空步流固耦合算法，在確保計算準確性的同時顯著降低了計算時間。

此外，無網(wǎng)格法也是一種發(fā)展趨勢，其是指在數(shù)值計算時，不生成網(wǎng)格，而是通過對一系列任意分布的坐標點構造插值函數(shù)，模擬復雜的流場。該方法能避免傳統(tǒng)數(shù)值計算時的網(wǎng)格畸變和重構等問題。目前，已經(jīng)發(fā)展出多種無網(wǎng)格算法，其中與流固耦合領域關系密切的有SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）、MLPG（Methless Local Petrov-Galerkin）、RKPM（Reproducing Kernel Particle Method）等。但無網(wǎng)格法的研究歷史較短，在計算效率、邊界條件處理和工程應用等方面還無法與傳統(tǒng)的數(shù)值計算方法相媲美［57］。

4 結論

（1）相較于單場分析，流固耦合分析更符合閥門的實際情況，能得到較準確的結果。

（2）振動與變形是閥門流固耦合現(xiàn)象的直觀體現(xiàn)，可以通過試驗方法直接測量。

（3）對流場進行試驗研究可以對閥門的流固耦合現(xiàn)象進行預測、驗證。

（4）流固耦合模擬根據(jù)數(shù)據(jù)傳遞方向可分為單向流固耦合模擬與雙向流固耦合模擬；根據(jù)耦合場數(shù)可分為雙場耦合與多場耦合。

（5）強耦合、ALE 移動網(wǎng)格法、無網(wǎng)格法等方法是流固耦合模擬的發(fā)展方向。