基于CFD的機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥數(shù)值仿真

周耀兵, 嚴(yán)伊豪, 高隆隆, 李寶仁

(1.武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所, 湖北 武漢 430064; 2.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 FESTO氣動(dòng)中心, 湖北 武漢 430074)

引言

氣動(dòng)技術(shù)是以壓縮機(jī)為動(dòng)力源, 以壓縮氣體為工作介質(zhì), 進(jìn)行能量傳遞和信號(hào)傳遞的工程技術(shù), 是實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)控制、自動(dòng)控制的重要手段之一。氣動(dòng)技術(shù)由于快速性好、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護(hù)方便, 在民用和國防等工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用[1]。

隨著列車行車速度的提高,軌道高低不平順造成的輪對(duì)跳動(dòng)加劇,對(duì)乘車舒適性造成不利影響[2]。為了解決這些安全問題,在車體和轉(zhuǎn)向架之間安裝 懸掛控制裝置,其核心部件就是機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥[3]。機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥其本質(zhì)是流量調(diào)節(jié)閥,由閥體、閥芯、閥套、套筒、端蓋、偏心輪等部件組成,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)載荷的變化調(diào)節(jié)車體高度的目標(biāo)。機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥狀態(tài)的好壞,將直接影響到空氣彈簧的正常工作,其中流量特性在其性能要求中尤為重要。而目前流量特性主要是通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。張廣世等[4]根據(jù)機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥的工作原理建立了力學(xué)方程和氣體流量方程,并研究了機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)如阻尼、杠桿比以及節(jié)流面積等對(duì)其性能的影響,最終得到了機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥特性與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系式。張新宇[5]建立了機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥的數(shù)學(xué)模型,分析了機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥內(nèi)部的節(jié)流結(jié)構(gòu)對(duì)充排風(fēng)流量特性的影響,并對(duì)比了仿真計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果。

目前對(duì)其流量特性的理論研究主要集中分析和研究其Simulink的數(shù)學(xué)模型,很少有通過CFD的方式對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算流體力學(xué)理論的深入研究,采用CFD方法研究閥門流場(chǎng)特性已在許多方面獲得與實(shí)驗(yàn)基本一致的效果[6],包括閥門流噪聲[7]、穩(wěn)態(tài)和振動(dòng)分析[8-9]、穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力[10]等。因此針對(duì)這一問題,采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)其內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析可為其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)[11-14]。

1 機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥工作原理

圖1為所設(shè)計(jì)的機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥的結(jié)構(gòu)簡圖。

1.排風(fēng)口 2.閥體 3.閥芯 4.閥桿 5.閥套 6.閥座 7.出風(fēng)口 8.端蓋 9.供風(fēng)口

當(dāng)軌道列車載荷增加時(shí),空氣彈簧壓力增加,體積減小,進(jìn)而列車高度降低,帶動(dòng)機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥的閥桿4旋轉(zhuǎn),進(jìn)而通過偏心輪帶動(dòng)閥芯3頂開閥座6,同時(shí)其頂端與閥座6壓緊,壓縮空氣通過供風(fēng)口進(jìn)入空氣彈簧,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣彈簧充氣,使得空氣彈簧壓力升高,體積膨脹,推動(dòng)列車高度回升,直到閥桿4重新回中位,充氣過程結(jié)束。

當(dāng)軌道列車載荷減少時(shí),空氣彈簧壓力減小,體積增大,進(jìn)而列車高度升高,帶動(dòng)機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥的閥桿4旋轉(zhuǎn),進(jìn)而通過偏心輪帶動(dòng)閥芯3脫離閥座6,同時(shí)閥套5頂端與閥座6壓緊,壓縮空氣通過空氣彈簧排出,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣彈簧排氣,使得空氣彈簧壓力下降,體積減小,使得列車高度回落,直到閥桿4重新回中位,排氣過程結(jié)束。

2 CFD仿真計(jì)算

通過對(duì)機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥口進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析,可以直觀的認(rèn)識(shí)其壓力、速度、流線等云圖以及進(jìn)出口流量等重要參數(shù),并可以通過仿真分析對(duì)其在工作過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)測(cè)以此指導(dǎo)和優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。

本研究主要利用CFD仿真軟件Fluent對(duì)機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥進(jìn)行內(nèi)部流場(chǎng)仿真分析。

對(duì)機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥在閥口開度為-9.5°,-7.5°,-5.5°,-3.5°,-1.5°,1.5°,3.5°,5.5°,7.5°,9.5°的工況分別進(jìn)行靜態(tài)流場(chǎng)仿真。

以下以機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿角度為9.5°時(shí)為例,進(jìn)行仿真分析。

2.1 幾何建模

為分析閥口位置的流動(dòng)以及其出口流量,對(duì)其內(nèi)部流體流道進(jìn)行抽取,從而得到其初步的流道模型經(jīng)過簡化處理,機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿角度為9.5°時(shí)其初步流道模型,如圖2所示。

圖2 機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿角度9.5°流道模型

2.2 網(wǎng)格劃分

使用Fluent Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分,在此模型中,機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥口附近的流道為最小截面流道,其最為關(guān)鍵,其網(wǎng)格應(yīng)重點(diǎn)劃分,因此設(shè)置網(wǎng)格劃分方法以Curvature(自適應(yīng))和Proximity(縫隙)方法生成面網(wǎng)格,并以Ploy-hexcore(多面體—六面體核心)網(wǎng)格生成體網(wǎng)格,其具有更高的網(wǎng)格精度,并能減少60%的網(wǎng)格數(shù)量。如圖3即為機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿角度為9.5°時(shí)流道模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果。設(shè)置其邊界條件,在其中定義壓力入口和壓力出口,其余面的邊界條件為墻面。在機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿角度為9.5°時(shí)的機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥流道模型中,網(wǎng)格數(shù)量約308萬個(gè),其最大歪斜率為0.5946,確保了良好的網(wǎng)格質(zhì)量。

圖3 機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿角度9.5°流道模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 Fluent仿真分析

以下對(duì)模型求解過程中相對(duì)重要的參數(shù)設(shè)置進(jìn)行具體說明。

1) 求解器的選擇

在Fluent中給出了3種求解方法:壓力基隱式求解、密度基隱式求解以及密度基顯式求解。

壓力基求解器的求解方法是從原來的分離式求解器發(fā)展而來的,其會(huì)按順序依次求解動(dòng)量方程、壓力修正方程、能量方程和組分方程及其他標(biāo)量方程,如湍流方程等,在密度基求解器中是沒有的。

本研究的機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥選擇壓力基求解器,其特性能夠更好的滿足閥口流動(dòng)模型的求解要求。

2) 流動(dòng)模型的選擇

Fluent提供的流動(dòng)模型有:Inviscid無黏模型、Laminar層流模型、S-A單方程湍流摸型、k-ε雙方程模型、k-ω雙方程模型及雷諾應(yīng)力模型等[15]。

在本研究的閥口數(shù)值模擬中,作以下假設(shè):

(1) 流體流動(dòng)完全為湍流;

(2) 分子黏性影響可以忽略。

k-epsilon雙方程模型,是在單方程模型湍流動(dòng)能K的基礎(chǔ)上,再引入一個(gè)有關(guān)湍流動(dòng)耗散率ε的方程,其標(biāo)準(zhǔn)工況占內(nèi)存小,收斂性好適用于可壓縮或不可壓縮完全湍流流動(dòng)。根據(jù)本研究流場(chǎng)分析的實(shí)際特點(diǎn),本研究的流動(dòng)模型選擇此RNGk-ε模型。

3) 流動(dòng)介質(zhì)的選擇

在工作過程中流動(dòng)的介質(zhì)為空氣,且只有這一種介質(zhì),故此為單相流,且氣體是可壓縮介質(zhì),所以本研究選擇理想氣體作為流動(dòng)介質(zhì)。

4) 邊界條件的設(shè)置

在機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿角度為9.5°時(shí),即排氣過程中,其邊界條件:壓力入口邊界設(shè)定為1 MPa (表壓),壓力出口邊界設(shè)定為大氣壓。除所設(shè)置的進(jìn)出口外均為Wall邊界,且由于氣流速度大,故忽略其內(nèi)部氣體與外界的熱交換,則壁面設(shè)定為絕熱壁面,壁面邊界為無滑移速度邊界。

5) 求解算法的選擇

本研究在求解算法方面選擇的是SIMPLEC算法,是基于SIMPLE算法的改進(jìn)算法之一,以保證較好的收斂的效果。

3 仿真結(jié)果分析

分析圖4機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿角度為9.5°時(shí)壓力云圖可知, 在經(jīng)過閥口之前流道內(nèi)壓力符合設(shè)置的進(jìn)口壓力1 MPa, 在經(jīng)過機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥口時(shí),由于閥口通流面積的原因壓力降低0.3 MPa左右,流道模型的整體壓力分布較為穩(wěn)定,閥口位置產(chǎn)生了一定程度的渦旋。

圖4 機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿角度為9.5°時(shí)壓力云圖

分析圖5機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿角度為9.5°時(shí)速度云圖可知,在經(jīng)過閥口之前流道內(nèi)速度狀態(tài)分布均勻,在經(jīng)過機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥口時(shí),由于閥口通流面積的原因速度有大幅度上升,并在隨后至壓力出口過程中有明顯的速度梯度。

圖5 機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿角度為9.5°時(shí)速度云圖

機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿不同角度流經(jīng)機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥口的氣體流量仿真結(jié)果如下表1、表2所示。

表1 機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿不同角度時(shí)流經(jīng)閥口供氣流量及閥芯位移

表2 機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿不同角度時(shí)流經(jīng)閥口排氣流量及閥芯位移

根據(jù)表1與表2的數(shù)據(jù)繪制機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥口流量曲線如圖6所示,圖中Min,Max分別為在空氣懸掛系統(tǒng)中機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥實(shí)際工作要求最小、最大流量曲線,可以看出機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿在不同轉(zhuǎn)角下的閥口流量符合規(guī)定的范圍內(nèi)。

圖6 機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥口流量仿真曲線

4 結(jié)論

(1) 本研究提出了機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥流量試驗(yàn)仿真方案,可對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè);

(2) 本研究以機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥桿開度為9.5°為例對(duì)機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥閥口流量進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對(duì)其壓力云圖和速度云圖進(jìn)行了分析;

(3) 本研究對(duì)機(jī)械隨動(dòng)調(diào)節(jié)高度控制閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化以及控制特性的改善具有一定的指導(dǎo)意義。