基于動網(wǎng)格與UDF技術(shù)的流量開關(guān)仿真設(shè)計

張發(fā)年，于延凱，郭建華，朱興華

(中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，遼寧沈陽 110016)

0 引言

油電混合動力海洋機(jī)器人航程遠(yuǎn)、補(bǔ)給方便，是很有發(fā)展前途的海洋機(jī)器人[1]，其進(jìn)排氣系統(tǒng)中設(shè)計有疏水管路，用于疏排進(jìn)入進(jìn)排氣管道內(nèi)的海水[2]。流量開關(guān)作為監(jiān)測排水泵運(yùn)行狀態(tài)的主要傳感器和作為判斷積水是否排盡的依據(jù)，其性能對進(jìn)排氣系統(tǒng)可靠性影響巨大[3]。常規(guī)流量開關(guān)如電磁式、超聲波式、電容式、壓力式等技術(shù)應(yīng)用比較成熟[4-9]，但使用場合各有側(cè)重，并且在海洋機(jī)器人疏水的復(fù)雜工況下，仍然存在諸多問題。

某油電混合動力海洋機(jī)器人疏水管路用流量開關(guān)，因疏水管路與柴油機(jī)排氣管路連通，受柴油機(jī)尾氣(煙霧)、積炭及海水腐蝕等影響，常規(guī)流量開關(guān)易損壞且常發(fā)生誤報。同時，排水水量不定，受平臺在海浪作用下而搖晃等因素影響，導(dǎo)致排水泵吸水口吸水流量不穩(wěn)，啟泵初始和排水結(jié)束時管路中以氣液混合物為主，排水壓力波動嚴(yán)重，難以實(shí)現(xiàn)有效檢測。因此，研制一種抗污染、耐腐蝕，適應(yīng)非穩(wěn)定流的流量檢測開關(guān)具有重要意義。

文中設(shè)計了一種干簧管流量開關(guān)，基于數(shù)值仿真軟件Fluent提供的計算方法和物理模型，利用動網(wǎng)格和UDF技術(shù)(用戶自定義函數(shù))，研究了流量開關(guān)閥瓣在不同含氣率條件下的運(yùn)動特性，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性，為海洋機(jī)器人排水自動化提供了技術(shù)支撐。

1 流量開關(guān)工作原理及研究工況

1.1 流量開關(guān)工作原理

如圖1所示，為流量開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。流量開關(guān)利用干簧管的磁耦合特性，在遇到強(qiáng)磁場時吸合導(dǎo)通輸出開關(guān)量信號。將磁鋼固定在閥瓣上，具有一定壓力的水通過流量開關(guān)時磁性閥瓣被沖擊上浮至干簧管附近位置，干簧管由常開狀態(tài)轉(zhuǎn)為閉合狀態(tài)，檢測電路導(dǎo)通，輸出信號。相反，在流量不足或是無水通過流量開關(guān)時，磁性閥瓣會在重力作用下恢復(fù)至底部閥座位置，干簧管將再次處于常開狀態(tài)，檢測電路斷開，輸出相反信號，圖中箭頭所示為水流方向。

1.2 研究工況

水箱搖晃導(dǎo)致排水泵吸空或排水初期及結(jié)束階段，排水管路含有大量氣體引起排水泵壓力和流量不穩(wěn)，如圖2所示，為某次排水監(jiān)測排水泵出口壓力變化時序圖。排水泵自吸階段因管路中有水，壓力相對穩(wěn)定，但隨后在排水初始階段因吸水不順利，壓力開始無規(guī)律波動，當(dāng)流量穩(wěn)定后壓力重新處于穩(wěn)定狀態(tài)，但隨著水箱水量減少，壓力再次出現(xiàn)波動。為準(zhǔn)確預(yù)報非穩(wěn)定流條件下的流量信息，防止排水泵長時間空轉(zhuǎn)，要求流量開關(guān)及時、準(zhǔn)確地反饋管路流量信息。

圖1 流量開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖2 某次排水泵排水壓力時序圖

2 數(shù)值模擬

2.1 動力學(xué)模型

采用動網(wǎng)格技術(shù)模擬活塞運(yùn)動，利用Fluent軟件的UDF技術(shù)編寫宏函數(shù)(DEFINE_CG_MOTION)，通過記錄當(dāng)前閥瓣的位置，同時對閥瓣Z軸方向受到的流體壓力進(jìn)行積分，得到閥瓣受到的流體作用力。動網(wǎng)格運(yùn)動控制方程如式(1)所示，依據(jù)式(1)編寫閥瓣運(yùn)動的UDF函數(shù)，編寫后的UDF文件通過編譯實(shí)現(xiàn)與Fluent的連接。

(1)

式中：m為閥瓣質(zhì)量，kg；f為閥瓣受到的摩擦力，N，此處忽略不計；mg為閥瓣受到的重力，N；F為水對閥瓣的作用力，N是流體壓力p對閥瓣面積的積分，F(xiàn)=∑pA。

選取多相流模型VOF湍流模型[11]作為主要模型進(jìn)行數(shù)值模擬。VOF方法是一種描述兩相流復(fù)雜自由表面的數(shù)學(xué)模型，其基本思路是計算域內(nèi)水和氣的體積分?jǐn)?shù)之和為1。

2.2 動網(wǎng)格技術(shù)

動網(wǎng)格計算模型模擬由于流域邊界運(yùn)動引起流域形狀隨時間發(fā)生變化的流動情況。對于通量φ，控制V內(nèi)的守恒方程式為

(2)

式中：ρ為液體的密度，kg/m3；u為液位的速度矢量；us為動網(wǎng)格的網(wǎng)格變形速度；Γ為擴(kuò)散系數(shù)；A為控制體表面積；Sφ為通量φ的源項(xiàng)；?V為控制體V的邊界。

文中將閥瓣作為剛體處理，網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，選擇彈簧光順和網(wǎng)格重構(gòu)方式更新網(wǎng)格。

2.3 邊界條件及求解設(shè)置

仿真試驗(yàn)入口邊界條件以全面試驗(yàn)方法確定。因素A即流速有3個水平，分別是A1=0.5 m/s,A2=1.0 m/s,A3=1.5 m/s；因素B即含氣率有6個水平，分別是B1=80%，B2=70%，B3=60%，B4=50%，B5=40%，B6=20%。出口邊界條件選擇壓力出口，出口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，相對壓力為0。流體水的密度為998 kg/m3，水氣混合狀態(tài)參考選擇空氣密度1.225 kg/m3。水氣混合物相互作用模型選擇VOF模型，采用有限體積法求解，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散，其余項(xiàng)都用一階迎風(fēng)格式離散，壓力速度耦合方式SIMPLE算法求解。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 含氣率對閥瓣平衡位置的影響

閥瓣平衡位置隨著含氣率的增大呈明顯下降趨勢，同時混合物流速對閥瓣影響較含氣率明顯，隨著混合物流速的增大，閥瓣平衡位置增加更明顯。如圖3所示為不同流速時閥瓣平衡位置與含氣率的關(guān)系曲線。閥瓣平衡位置受含氣率影響主要原因是氣體密度小，同樣流速時產(chǎn)生的沖擊力要小于水，而流速對閥瓣平衡位置的影響明顯主要是因?yàn)榱魉偬岣吆笕肟谫|(zhì)量流量增加，閥瓣受到的流體作用力明顯增加，這一點(diǎn)從仿真獲得的閥瓣受到的壓強(qiáng)可得到證實(shí)。

圖3 含氣率大于50%時閥瓣位移與流速的關(guān)系

3.2 閥瓣的運(yùn)動特性

從仿真結(jié)果可知，閥瓣在氣水混合物的作用下運(yùn)動特點(diǎn)與含氣率有明顯關(guān)系，當(dāng)含氣率大于70%時，閥瓣的運(yùn)動較微弱，特別是流速較小時，閥瓣存在明顯的沖擊震蕩，閥瓣在達(dá)到一定高度后會再次下落，隨后在較低位置達(dá)到穩(wěn)定，如圖4所示為含氣為率80%、流速為1.0 m/s閥瓣運(yùn)動曲線，其對應(yīng)的壓力云圖如圖5所示,圖中提取起始時刻、0.015 s、0.025 s、0.035 s、0.045 s、0.055 s、0.065 s、0.075 s、0.085 s、0.1 s共10個時刻對應(yīng)閥瓣的壓力云圖，圖中閥瓣在0.035 s時達(dá)到最大位移，之后在0.085 s回落至最低點(diǎn)。閥瓣發(fā)生震蕩是因?yàn)殚y瓣在初始時刻主要受到空氣作用，隨著空氣的不斷積聚，閥瓣受到空氣作用力越來越大，直到克服閥瓣質(zhì)量閥瓣開始上升，閥瓣被打開，空氣又迅速膨脹逸出，閥瓣受到的作用力迅速減小，閥瓣在自身重力作用下回落，直至閥瓣即將關(guān)閉時空氣再次積聚使閥瓣反復(fù)，直至閥瓣質(zhì)量與流體作用力平衡，也即兩相流動態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象導(dǎo)致的結(jié)果[12]。

圖4 含氣率80%流速1.0 m/s閥瓣運(yùn)動曲線

(a)起始時刻 (b)0.015 s (c)0.025 s (d)0.035 s (e)0.045 s

(f)0.055 s (g)0.065 s (h)0.075 s (i)0.085 s (j)0.1 s圖5 含氣率80%流速1.0 m/s時流量開關(guān)壓力云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)裝置及方法

流量開關(guān)尺寸參考DN32閥門設(shè)計，通徑為32 mm，高70 mm，外徑為65 mm，采用對夾式裝配方式安裝在兩片DN32法蘭之間。流量開關(guān)控制硬件包括以AVR單片機(jī)(ATmega1280)為核心的微控制器、調(diào)制電路、干簧管及上位機(jī)，軟件采用C語言編程。在調(diào)制電路中，流量開關(guān)反饋低電平通過反門器GSG54HC14轉(zhuǎn)化為高電平，輸出至數(shù)字量隔離芯片ADUM1510，經(jīng)過隔離后輸出至數(shù)字量擴(kuò)展芯片MAX7301，通過SPI串口與單片機(jī)的SPI串口相連，進(jìn)行信息交互。

如圖6所示為試驗(yàn)原理圖。試驗(yàn)采用自吸泵從水箱經(jīng)入水管吸水，經(jīng)過球閥1、流量開關(guān)、球閥2后至水箱2，直至水箱1水被排盡，模擬泵疏水全過程重復(fù)3次。在流量開關(guān)下游安裝有壓力計通過調(diào)節(jié)球閥控制流過流量開關(guān)的流量。采用控制器采集并處理流量開關(guān)信號、壓力計及流量計信號，通過CAN總線轉(zhuǎn)USB傳至計算機(jī)(代替上位機(jī))保存。

圖6 流量開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

為更好地觀察閥瓣在水流作用下的運(yùn)動狀態(tài)及閥瓣位置與控制器采集信號的一致性，流量開關(guān)主體采用透明度大于90%的亞克力材料制成。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖7所示，為流量開關(guān)工作狀態(tài)，從圖7中可以很清楚觀察到閥瓣的狀態(tài)，閥瓣在水流作用下浮起，整個試驗(yàn)過程中，流量開關(guān)狀態(tài)與上位機(jī)采集的信號始終一致。

圖7 流量開關(guān)工作狀態(tài)

試驗(yàn)中管路流量及流量開關(guān)信號時序曲線如圖8所示，依次設(shè)置管路出口流量0.85 m3/h，2.40 m3/h，4.70 m3/h(以上流量對應(yīng)球閥開啟1/3、2/3和全開)。以流量計流量顯示穩(wěn)定后為界限，對應(yīng)時刻和試驗(yàn)現(xiàn)象在圖中分別標(biāo)記出排水過程的3個階段，即排水起始階段、穩(wěn)定排水階段和排水結(jié)束。

圖8(a)設(shè)置出口流量0.85 m3/h，由圖8可知，排水起始階段隨著流量逐漸增大，流量計顯示管路流量在0.2～0.4 m3/h之間波動，此時流量開關(guān)輸出0，而穩(wěn)定排水階段，流量雖有小幅波動，但流量開關(guān)信號始終保持穩(wěn)定，流量開關(guān)持續(xù)輸出高電平；排水結(jié)束階段流量再次出現(xiàn)波動，但流量開關(guān)保持低電平無動作。

(a)出口流量0.85 m3/h

(b)出口流量2.40 m3/h

(c)出口流量4.70 m3/h圖8 管路壓力、流量及流量開關(guān)時序圖

圖8(b)設(shè)置出口流量2.40 m3/h，由圖可知，排水起始階段流量上升速度較快，流量開關(guān)信號有少許延遲，隨后進(jìn)入穩(wěn)定排水階段后，流量開關(guān)在管路達(dá)到最大流量時持續(xù)輸出高電平，排水結(jié)束階段，流量在0～0.5 m3/h之間波動，此過程中流量由2.40 m3/h迅速降至0.5 m3/h以下，流量開關(guān)輸出低電平后未動作。

圖8(c)設(shè)置出口流量4.70 m3/h，由圖可知，流量開關(guān)在流量達(dá)到3.0 m3/h時輸出高電平信號，隨后流量持續(xù)增加至5.0 m3/h，進(jìn)入穩(wěn)定排水階段，在排水起始階段流量波動最大達(dá)到1.0 m3/h，但流量開關(guān)并未

發(fā)生動作，排水結(jié)束時出水管流量在1.0 m3/h以下波動，流量開關(guān)后續(xù)未發(fā)生動作。

由試驗(yàn)可知，閥瓣出現(xiàn)波動均發(fā)生在含氣率較高的排水初始狀態(tài)和排水結(jié)束狀態(tài)，流量開關(guān)下游中出現(xiàn)大量氣泡逸出現(xiàn)象，此時，即使流量計顯示流量高達(dá)1.0 m3/h，流量開關(guān)依然持續(xù)輸出低電平信號，這也驗(yàn)證了仿真結(jié)果，高含氣率閥瓣波動現(xiàn)象，與文獻(xiàn)[12]中兩相流動態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象相符。流量開關(guān)在區(qū)分排水的3種狀態(tài)時表現(xiàn)出很好的魯棒性，這是因?yàn)榱髁块_關(guān)利用了兩相流動態(tài)的不穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)設(shè)計采用直立式止回閥結(jié)構(gòu)，氣體頂開閥瓣的一瞬間迅速擴(kuò)散，壓力變小，氣液混合物密度降低，閥瓣受到的作用力迅速下降，閥瓣下降，干簧管斷開，檢測電路斷開，但流量開關(guān)在流量的預(yù)報過程中也出現(xiàn)了延遲現(xiàn)象，主要是受信號檢測原理影響，閥瓣只有達(dá)到指定位置后才能輸出信號，相比流量計顯示慢。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在自吸泵吸水和排水結(jié)束時，氣體的快速逸出導(dǎo)致管路中壓力計顯示的數(shù)值不穩(wěn)定，同時造成流量計出現(xiàn)瞬時流量波動，故此時流量計顯示流量波動高達(dá)1.0 m3/h，只是空氣擴(kuò)散導(dǎo)致的瞬時值。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種適用于非穩(wěn)定流排水工況的干簧管流量開關(guān)，采用動網(wǎng)格技術(shù)分析了流量開關(guān)閥瓣在不同含氣率條件下的運(yùn)動特性，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了流量開關(guān)實(shí)際工作情況，結(jié)果表明試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，該流量開關(guān)對疏水全過程匹配較好，研究為混合動力海洋機(jī)器人進(jìn)排氣系統(tǒng)疏水檢測提供了技術(shù)支撐。參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣新松，封錫盛，王棣棠.水下機(jī)器人[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2000.

[2] 于延凱，胡志強(qiáng)，劉大勇.一種海洋機(jī)器人用進(jìn)排氣裝置和方法：201310626714.9[P].2013-11-28.

[3] 楊翊，朱興華，胡志強(qiáng)，等.水下機(jī)器人柴電動力系統(tǒng)可靠性研究[J].失效分析與預(yù)防，2017，12(2)：87-93.

[4] 胡儉波，宋開臣.一種高性能超低功耗流量計設(shè)計[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2002，15(1)：57-68.

[5] 嚴(yán)錦洲，蔣念平.新型超聲波流量計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014(4)：28-30.

[6] 朱栢榮.臨時高壓消防給水系統(tǒng)流量開關(guān)啟動流量設(shè)定取值探討[J].給水排水，2016，42(5)：140-144.

[7] 彭珍瑞，盧海林.電容式靶式流量計的研究與仿真[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013(3)：40-43.

[8] 曹建生，劉昌明，張萬軍.簡易翻斗式自記流量計的制作及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器，2005(5)：40-44.

[9] 汪余景，翟軍勇.基于恒溫差的熱式空氣流量計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2017(6)：41-43.

[9] 魏朋飛，沈昱明，張小慶.基于恒電流的質(zhì)量流量開關(guān)設(shè)計[J].化工自動化及儀表，2016，44(6)：611-613.

[10] 孫新新，翟媛媛，常瑩.基于多普勒原理的管道流量測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013(7)：92-98.

[11] 李其修，劉輝，吳向君.基于CFD的潛艇高壓氣吹除主壓載水艙系統(tǒng)模擬[J].艦船科學(xué)與技術(shù)，2012(9)：56-60.

[12] 王經(jīng).氣液兩相流動態(tài)特性的研究[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2012.