液控單向閥瞬態(tài)開啟過程流固耦合特性研究*

謝小路 何東升 張林鋒 李川 王波 代輝

(西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院)

0 引 言

液壓解碼器是ICV的核心液控系統(tǒng)，而液控單向閥作為液壓解碼器的核心元件，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)和可靠性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。

液控單向閥在工作過程中由于流場(chǎng)不穩(wěn)定導(dǎo)致的振動(dòng)、噪聲等問題屬于流固耦合范疇，國內(nèi)外文獻(xiàn)使用CFD和試驗(yàn)的方法建立了常規(guī)單向閥的分析模型，對(duì)其穩(wěn)定性和非線性運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)了研究，但針對(duì)液控單向閥的研究較少。

文獻(xiàn)[1-2]采用Fluent建立了氣液單向球閥的CFD模型，分析了閥芯材質(zhì)、彈簧剛度、含氣體積分?jǐn)?shù)和入口流量等對(duì)單向球閥瞬態(tài)開啟穩(wěn)定性的影響。文獻(xiàn)[3]采用動(dòng)網(wǎng)格方法分析了彈簧剛度對(duì)錐閥的瞬態(tài)液動(dòng)力性能的影響。文獻(xiàn)[4-5]則基于Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)建立了容積泵內(nèi)單向閥流固耦合數(shù)值模型，使用用戶自定義函數(shù)(UDF)控制閥芯的位移，研究了單向閥在開啟過程中的瞬態(tài)響應(yīng)，獲得了與試驗(yàn)相近的損耗系數(shù)，還對(duì)比了時(shí)間步長、湍流模型及求解模型等仿真參數(shù)對(duì)數(shù)值結(jié)果的影響，指出使用隱式求解方案優(yōu)于顯示方案。文獻(xiàn)[6]采用CFD技術(shù)研究了截止閥開啟與關(guān)閉過程中閥體內(nèi)部的速度、壓力分布以及壓力損失等情況，分析了流體通過閥道時(shí)產(chǎn)生的漩渦、水錘和死水區(qū)等水流情況，指出閥的開啟和閉合會(huì)導(dǎo)致壓力大幅度波動(dòng)。文獻(xiàn)[7]基于CFD軟件和試驗(yàn)研究了飛機(jī)燃油系統(tǒng)用某單向閥開啟過程，指出閥芯的最大開度位置與彈簧剛度、閥芯形狀和內(nèi)部流道有著密切關(guān)系。文獻(xiàn)[8]利用Fluent軟件的6DOF模塊建立了插裝閥開啟過程中的非定常流場(chǎng)模型，數(shù)值模擬計(jì)算出的閥芯位移、控制腔壓力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力與理論公式計(jì)算值相符，指出與常規(guī)方法相比，CFD方法的結(jié)果與閥芯實(shí)際運(yùn)動(dòng)更加接近。文獻(xiàn)[9]通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究了錐閥的振動(dòng)和噪聲現(xiàn)象，指出瞬態(tài)液動(dòng)力導(dǎo)致了錐閥的規(guī)律周期振動(dòng)現(xiàn)象。文獻(xiàn)[10-11]則基于三維流固耦合有限元?jiǎng)恿W(xué)仿真分析和直接耦合算法，建立了一種車用錐形節(jié)流閥由關(guān)閉至開啟而后又關(guān)閉全過程的數(shù)值分析模型，研究結(jié)果表明，影響閥芯振動(dòng)頻率較為顯著的因素是閥芯質(zhì)量和油液體積模量，閥芯和閥座之間的接觸碰撞會(huì)提高其振動(dòng)頻率。

以上基于Fluent動(dòng)網(wǎng)格的方式實(shí)現(xiàn)流固耦合分析的文獻(xiàn)，其使用的UDF程序無法實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯的振動(dòng)分析。而本文采用Fluent 6DOF模型和網(wǎng)格重構(gòu)理論，考慮了閥芯至極限位置后的振動(dòng)情況，編譯了一套新的UDF，建立了單向閥受到微型液缸推桿推力作用下的瞬態(tài)開啟過程的非穩(wěn)態(tài)強(qiáng)耦合動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析模型。

1 結(jié)構(gòu)模型及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)模型

解碼器實(shí)物三維透視圖如圖1所示。解碼器內(nèi)部集成了多個(gè)微型液控單向閥(以下簡稱單向閥)組件。壓力損失小和響應(yīng)迅速是實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程控制命令的基本保證之一，因此有必要對(duì)單向閥瞬態(tài)開啟過程進(jìn)行深入分析。

單向閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 工作原理

單向閥的工作原理為：在初始狀態(tài)下，常閉單向閥受到進(jìn)出口壓差的影響，單向閥內(nèi)的小球堵住了內(nèi)部流道，液壓油無法聯(lián)通，當(dāng)連通微型液缸的液壓油先推動(dòng)其內(nèi)部活塞向左運(yùn)動(dòng)，活塞推桿運(yùn)動(dòng)到和單向閥內(nèi)部閥芯小球接觸，由于活塞對(duì)小球的推力Fp大于流體對(duì)小球的阻力Fv與彈簧彈力Fs之和，此時(shí)小球在活塞推力作用下逐漸開啟，閥芯運(yùn)動(dòng)方向與流體流動(dòng)方向相反，閥芯的運(yùn)動(dòng)受到活塞推力和液壓油壓力的共同影響。

2 數(shù)值模型

為研究閥芯受力運(yùn)動(dòng)情況，采用瞬態(tài)方法進(jìn)行計(jì)算，對(duì)流體區(qū)域采用有限體積法，采用Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)并編譯一套新的UDF程序來實(shí)現(xiàn)開啟瞬態(tài)過程的數(shù)值計(jì)算。

2.1 控制方程

數(shù)值計(jì)算選用了Fluent軟件中的RNGk-ε湍流模型，使用基于壓力-速度耦合的Simple算法，動(dòng)量方程中的雷諾應(yīng)力張量使用渦黏度模型[4-5,12]：

(1)

(2)

式中：k為湍流動(dòng)能，ui為速度分量，μ為運(yùn)動(dòng)黏度，ε為耗散率。

使用具有標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(standard wall function)的RNGk-ε湍流模型，此方程引入了對(duì)湍動(dòng)黏性系數(shù)的修正方程，在模擬流動(dòng)分離、強(qiáng)旋流和彎曲壁面流動(dòng)等問題時(shí)更接近實(shí)際流動(dòng)狀態(tài)。湍流動(dòng)能k以及其耗散率ε來自以下傳輸方程[12-13]：

(3)

(4)

(5)

2.2 網(wǎng)格參數(shù)

本文采用Fluent Meshing進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了降低計(jì)算時(shí)間成本和動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)的需要，將計(jì)算域分成3個(gè)混合域(見圖3)，各域之間用Interface連接，且只在“中”部非結(jié)構(gòu)域內(nèi)部進(jìn)行網(wǎng)格更新，其網(wǎng)格類型為四面體，“上”和“下”兩個(gè)域采用多面體-六面體(Poly-Hexcore)網(wǎng)格。整個(gè)模型共535 433個(gè)節(jié)點(diǎn)(nodes)和1 258 055個(gè)單元(elements)。網(wǎng)格質(zhì)量在0.38以上，滿足Fluent求解計(jì)算要求。

圖3 單向閥網(wǎng)格模型

2.3 使用Fluent UDF控制閥芯運(yùn)動(dòng)

在活塞推動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)之前，閥芯受到的預(yù)緊力FOFF由液壓油對(duì)其的液動(dòng)力Fv和彈簧預(yù)緊力F0共同組成。閥芯的運(yùn)動(dòng)由合力決定，其受力簡圖如圖4所示。圖4中Fp為閥芯推桿推力，F(xiàn)s為彈簧力。

圖4 閥芯運(yùn)動(dòng)受力簡圖

由牛頓第二定律推導(dǎo)出如下二階常微分方程，用于模擬閥芯的運(yùn)動(dòng)[14-15]。

(6)

對(duì)式(6)左側(cè)進(jìn)行簡化，可以得到運(yùn)動(dòng)部件(閥芯)的加速度表達(dá)式[16]：

(7)

(8)

引入閥芯的位移yt為自變量，彈簧力的表達(dá)式為：

(9)

式(9)中K是彈簧的彈性系數(shù)，于是可以得到新的離散方程[17]：

(10)

由于ANSYS Fluent無法直接讀取執(zhí)行等式(9)，所以需要使用UDF編譯模塊對(duì)等式進(jìn)行程序化處理。式中的參數(shù)有閥芯質(zhì)量為0.006 08 kg，彈簧彈性系數(shù)K為2 600 N/m，彈簧預(yù)緊力F0為5.2 N，F(xiàn)p取769 N，時(shí)間增量步為0.000 01 s。

2.4 動(dòng)網(wǎng)格(Dynamics Mesh)更新技術(shù)

本文使用彈簧近似光順(spring-based smoothing)和局部網(wǎng)格重劃法(local remeshing)，結(jié)合兩種方法相互作用生成動(dòng)態(tài)網(wǎng)格。使用編譯UDF程序控制閥芯時(shí)，由于計(jì)算域隨著閥芯瞬態(tài)位置的變化而變化，為避免出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格，需要在下一次迭代計(jì)算前對(duì)網(wǎng)格做更新處理。

2.5 邊界條件設(shè)置

使用Fluent進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，閥內(nèi)流體為32#液壓油，密度為850 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度為0.001 18 Pa·s，入口和出口邊界分別設(shè)定為壓力入口和壓力出口，進(jìn)口壓力5 MPa，流速0.5 m/s，出口壓力為4.5 MPa，為了增強(qiáng)動(dòng)量的收斂性，將動(dòng)量欠松弛因子設(shè)為0.4[16]，其他參數(shù)設(shè)定為默認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)果分析

3.1 流體-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)閥芯運(yùn)動(dòng)特性的影響

使用UDF程序提取并記錄流體對(duì)閥芯的合作用力，流體作用力直接影響閥芯的運(yùn)動(dòng)，是造成閥工作不穩(wěn)定的重要因素之一。

圖5為閥芯受到的瞬態(tài)液動(dòng)力Ff隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖5可知：在閥芯移動(dòng)前，流體作用力維持在30.6 N左右，和推力Fp大小無關(guān)；閥芯移動(dòng)瞬間，F(xiàn)f有小幅增加的趨勢(shì)，并在開啟過程中基本保持不變；當(dāng)閥芯位移至最大時(shí)受微型液缸推力影響，閥芯運(yùn)動(dòng)速度為0，此時(shí)閥芯周圍流場(chǎng)極不穩(wěn)定，瞬態(tài)液動(dòng)力Ff瞬間激增[17]，后又穩(wěn)定在30.6 N左右不再波動(dòng)。

圖5 瞬態(tài)液動(dòng)力變化曲線

圖6為閥芯運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖6可知，閥開啟后，在Ff、Fs和Fp的共同作用下，速度呈線性增加，受Fp影響，閥芯至最大位移時(shí)，速度為0。

圖6 閥芯速度變化曲線

圖7顯示了閥芯位移隨時(shí)間的變化規(guī)律。由圖7可知，在閥開啟的瞬間，閥芯受到壓差、液動(dòng)力和彈簧預(yù)緊力的共同作用，隨著活塞推力Fp繼續(xù)推動(dòng)閥芯，閥芯加速運(yùn)動(dòng)至位移最大值后停止運(yùn)動(dòng)，并在1 ms內(nèi)達(dá)到了最大開度，閥芯受液壓推力信號(hào)后能夠迅速響應(yīng)，保證了解碼器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖7 閥芯位移變化曲線

3.2 壓力場(chǎng)

圖8為活塞推力作用下單向閥瞬態(tài)開啟過程的部分靜壓云圖。由圖8可知，在開啟初始，閥芯前后端流場(chǎng)壓力變化顯著，在開啟過程中，此處閥芯承受著較大壓力，閥芯頂部(球形部分)在整個(gè)過程中都承受一定的背壓，故閥芯小球上半部壓力較大。當(dāng)閥達(dá)到最大開度后，對(duì)于閥芯周圍流場(chǎng)，最大靜壓在出口區(qū)域。

圖8 活塞推力作用下單向閥瞬態(tài)開啟過程的部分靜壓力云圖

3.3 速度場(chǎng)

圖9為瞬態(tài)開啟過程中各特征時(shí)刻的速度分布云圖。由圖9可知：同一時(shí)刻內(nèi)，閥芯頂部與閥腔喉部區(qū)域具有最高流速，而閥的頂部和底部流速相對(duì)較?。婚_啟過程中的最大流速區(qū)域如圖9a所示，此時(shí)的喉部油液最大流速高達(dá)10.4 m/s，當(dāng)閥芯完全開啟后，流速降低至2.7 m/s左右。

圖9 瞬態(tài)開啟過程中各特征時(shí)刻的速度分布云圖

圖10為單向閥流線及閥芯表面壓力云圖。由圖10可知，閥芯表面受力不均，背壓集中在小球頂部，在入口后方區(qū)域與閥芯底部形成渦流，閥芯上下部分環(huán)空橫截面積突然改變導(dǎo)致流體流向改變，在此處形成了一對(duì)流向相反的渦流區(qū)，有較大能量損失。

圖10 閥芯壓力分布和速度矢量圖

4 結(jié) 論

本文基于CFD有限元軟件Fluent建立了一種應(yīng)用于智能完井井下解碼器內(nèi)部精細(xì)的微型液控單向閥三維數(shù)值模型，編譯了一套新的UDF程序來控制閥芯在開啟過程中的運(yùn)動(dòng)特性，利用動(dòng)網(wǎng)格更新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單向閥由關(guān)閉狀態(tài)至完全開啟的高速通流過程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，取得良好的預(yù)測(cè)結(jié)果，并得到如下結(jié)論。

(1)基于Fluent 6DOF理論和新的UDF程序，提出了一種研究液控單向閥流固耦合分析的數(shù)值模型，新開發(fā)的UDF支持Fluent并行計(jì)算，大大提高了數(shù)值計(jì)算的效率。同時(shí)驗(yàn)證了使用微型液缸-單向閥系統(tǒng)作為解碼器基本控制單元的可行性與可靠性。

(2)Fluent軟件中的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和非穩(wěn)態(tài)求解器可以很好地解決閥門開啟過程中內(nèi)部流道強(qiáng)湍流問題，可以準(zhǔn)確地模擬出液壓油在不同時(shí)刻的流動(dòng)狀態(tài)。

(3)使用新的研究方法將活塞動(dòng)態(tài)推力Fp簡化成一個(gè)大小固定的力來分析該單向閥的開啟過程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，F(xiàn)p的大小直接影響閥芯能夠獲得的最大速度值，但對(duì)終態(tài)流場(chǎng)影響較小。

(4)單向閥在開啟時(shí)閥的底部和頂部區(qū)域流體運(yùn)動(dòng)最為劇烈，閥內(nèi)流體最高流速為10.4 m/s，而閥芯的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)22.9 m/s，能夠迅速實(shí)現(xiàn)動(dòng)作響應(yīng)，但要避免單向閥入口壓力過高而出現(xiàn)劇烈的壓力波動(dòng)情況，應(yīng)正確使用單向閥，以發(fā)揮其最佳性能并延長使用壽命。