不同彈簧剛度系數下單向閥關閉過程仿真分析
1 前言
奧孚研發團隊，利用 FLUENT 軟件中動網格技術對單向閥關閉過程進行了數值仿真，得到了在不同彈簧剛度系數作用下，閥芯的關閉速度，關閉的總時間以及閥芯前后的壓差情況。
單向閥主要由彈簧、閥芯和密封口等部件構成。當上游壓力高于下游壓力一定值時，閥門開啟;當下游壓力高于上游壓力一定值時，閥門關閉。根據單向閥只允許流體介質沿一個方向流動的特點，在石油、化工、核工業、水電等行業得到了廣泛的應用。同時，流體流經閥芯時，與閥芯之間的相互作用問題為流固耦合振動問題。在開啟或關閉過程中，閥芯周圍的流場變化劇烈，由此產生的水擊壓力是不容忽視的，此問題吸引了廣大學者的興趣，這使得單向閥的設計及應用都得到了極大的發展。
奧孚研發人員動態模擬了單向閥在不同彈簧剛度系數時的開啟過程，得到了開啟過程中閥芯的位移及運動規律。根據非線性彈簧質量系統相關理論建立了氣體介質單向閥的數學模型，對單向閥充氣共振現象進行了分析，得到了不同閥門在不同開度下的流場分布。研究了單向閥作為配流閥時，彈簧剛度系數與預緊力的關系，得到了單向閥開啟時閥芯的運動曲線呈紡錘形。我們采用試驗方法研究了單向閥關閉時的密封性能，得到了彈簧剛度系數是影響單向閥密封錐座蠕變變形重要原因。單向閥關閉時要求反向的泄漏率要小，關閉速度要適中，閉合時可靠性高，且無振動、沖擊或噪聲，其中單向閥無振動、沖擊或噪聲是單向閥的重要性能要求之一。影響單向閥這一性能的主要因素之一就是單向閥的彈簧剛度，當彈簧剛度設計不合理時，可能導致單向閥發生喘振、關閉滯后等現象。基于此本文采用Fluent 軟件的動網格技術，對不同彈簧剛度系數下的單向閥的關閉過程進行了仿真，其結果可為單向閥的彈簧剛度設計提供依據。
2 單向閥模型的建立
2.1 單向閥流道的幾何模型
流體流經單向閥時，其流道為軸對稱的，為減少計算工作量，將流道簡化為二維對稱模型，并將模型分為網格運動區域與網格靜止區域兩個部分，通過建立交界面(interface)進行對接
2.2 網格劃分
采用四邊形非結構網格進行離散。由于閉合過程中，閥芯的位置是運動的，須采用動網格計算進行模擬，因此將流體區域分為兩個部分，即網格變化區域與網格靜止區域。其中分界線右方為網格變化區域，其余區域為靜止區域。
2.3 流體計算假設及邊界條件
不考慮管內流體的壓縮性，假設為牛頓流體。單向閥在關閉過程中閥口處速度較大，為高雷諾數湍流, 故采用經典的標準k-ε 湍流模型。
2.4 動網格技術及閥芯運動方程
動網格的更新主要有以下3 種方式: 彈簧近似光滑法(spring-based smoothing)、動態分層法(dynamic layering) 和局部網格重劃法(local remeshing)。由于單向閥運動的方向可近似看作是直線運動，所以本文選定動態分層法。小開度下閥芯前端部分壓力與速度變化相對較大，所以對閥芯前部必須進行網格細化。
3 計算結果與分析
3.1 關閉位移時間關系
在安裝長度不變的情況下, 通過對剛度系數分別為1100，1000，900 的情況進行數值仿真，得到了剛度系數與閥芯位移關系
單向閥的閥芯在關閉過程中主要受到流體壓力、彈簧彈力、穩態流體液動力、粘性阻力、慣性力和瞬態流體動力等，而閥芯在靜態平衡點, 即穩態時受到的主要作用力是:彈簧彈力、穩態流體液動力，且達到靜力平衡狀態。
3.2彈簧剛度與壓差關系
表1不同彈簧剛度下完全關閉時壓差
彈簧剛度(N/mm) 閥前壓強 (MPa) 閥后壓強(MPa) 壓差(MPa)
900 0.17 0.1517 0.0183
1000 0.2197 0.3141 -0.0944
1100 0.4699 1.292 -0.8221
4 結論
(1)采用FLUENT 軟件中的動網格對不同彈簧勁度單向閥關閉特性的模擬，相對于穩態模擬，更清晰地模擬出關閉時的閥芯位移，移動速度與關閉時間的關系，確定了壓差與彈簧剛度的關系。
(2)通過研究不同的彈簧剛度系數，得出剛度系數與閥芯后端出現負壓區域大小有關。
