减压阀动态特性的数值模拟及故障分析

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1、减压阀动态特性的数值模拟及故障分析刘君，董海波，徐春光(大连理工大学航空航天学院辽宁大连116024)摘要：采用ANSYS有限元软件计算得到减压阀膜片的反力时程曲线和运动部件的动态特性，在此基础上将结构简化为两个单自由度质量弹簧阻尼动力学模型，采用Newmark算法计算。流体控制方程为三维非定常积分形式的ALE(ArbitraryLagrangianEulerian)方程，采用基于弹簧近似的动网格有限体积格式求解，应用了新的离散几何守恒律和高精度界面算法；同时采用虚拟网格通气技术实现阀门部件运动过程所引起的拓扑变化。计算表明，在较宽的上游增压速率范围内减压

2、阀出口压力存在振荡，均值接近按照静态性能设计的理论值。通过对计算流场进行分析，确定了造成两种开启故障的主要机理，修改模型参数可以排除异常。关键词：减压阀；流固耦合；非结构动网格；压力振荡；动态特性中图分类号：O354;V435文献标识码：A文章编号：7引言减压阀通过其内部构件调节管路系统的流量和压力，使上游的高压气体在下游出口处维持相对稳定的低压。传统设计流程中主要考虑静态性能，目前已有比较成熟的计算方法能够预测减压阀稳定工作状态下的出口压力和流量特性[1-2]。由于分析手段有限，通常情况下只能依靠样品实验方法进行动态特性研究，由于阀门内部结构复杂、体积小

3、，很难进行数据测量工作，动态试验往往只能给出总体性能是否满足设计指标的定性结论[3]。近年来有许多学者采用数值仿真手段开展阀门研究，根据前期调研情况看，对液体阀门管路系统中产生的水锤、空化、气蚀等现象进行仿真研究相对较多；而气体管路系统中也会出现所谓的“气柱振荡”现象，在上世纪70年代以后逐渐引起学术界关注，利用这种共振产生激波进行能量传导可用于制冷[4-6]。减压阀的减压功能主要依靠调整流道最小截面产生壅塞来实现，由于气体可压缩性强、声速较低，在阀门内部复杂的结构中流动时常会形成激波等超声速流动现象。文献[7、8]通过数值模拟得到的结论可以看出，由于阀门

4、的限流作用，内部流场中形成的激波导致了气动载荷剧烈变化，这是美国Stennes航天中心(SSC)在火箭发动机试车过程中稳压阀出现故障的主要原因。文献[9、10]进行固体火箭发动机调压阀的数值模拟时也发现存在马赫数高达4的局部区域。由于流场内存在激波，常用的商业软件中SIMPLE或PISO等基于不可压缩流动建立的算法不再适用，需要在弱解理论指导下发展能够捕捉激波的新方法。除此之外，阀门内部复杂结构网格生成、启闭引起的空间拓扑变化、描述运动部件的网格技术、流固耦合的界面算法、计算结果的验证等问题也是数值模拟应用于阀门动态性能分析遇到的挑战。图1是一种膜片式减压

5、阀的结构示意图。低压腔与出口管路相连接，其下方密封膜片盒内的主弹簧K1使膜片K2向上变形，推动阀芯M02向上运动，在阀芯和阀口(下限位K5)之间形成流通面，高压腔和低压腔之间的压差在该处形成壅塞实现降压功能。阀芯和阀座顶盖之间的副弹簧K3和上限位K6控制阀芯运动规律，因此流通面大小受很多因素所决定。如果出口压力超过预定值，作用在膜片的气动力破坏弹簧K1、K2和K3之间受力平衡，推动膜片向下运动，带动阀芯使缝隙变窄，减少进入低压腔的气体流量，致使压力降低；反之，如果出口压力小于预定值，气动力推动阀芯使缝隙变宽，更多气体进入低压腔导致压力升高，这是实现其稳压的

6、原理。为了避免高压冲击载荷引起的下游波动，采用阀芯与膜片中心落座可以分离的结构设计，如果膜片向下运动位移大于下限位K5，膜片脱离阀芯，副弹簧K3使得阀芯和阀口完全贴合，阀门完全关闭，该流通面的流量为0。同时为了避免膜片回弹过量，膜片盒内设置了下限位K4。阀芯和上限位K6之间的空腔称为卸荷腔，阀芯和阀座之间缝隙使得高压气体进入卸荷腔进而影响阀芯受到的气动载荷，为此阀芯中间开孔与低压腔相通，即使阀门完全关闭也存在一定流量。7图1减压器结构示意图Fig.1Schematicofpressurereliefvalve基于“虚拟现实”的优势，本文通过数值模拟的方法预

7、测这种减压阀开启过程的动态特性，分析设计参数的影响机理，进而为工艺流程控制和产品检验提供依据。1结构有限元模拟尽管在结构分析中常用ANSYS、FLUENT等商用软件，这些软件中也包含流体单元的计算模型，但这些模型都是针对不可压流动方程建立，不适用于气体减压阀。由于ANSYS软件和流场求解器之间存在耦合问题，本文把减压阀内部运动简化为如下两个单自由度的质量弹簧模型。如图1示意，在阀芯与膜片的分离面处将阀门结构分为上下两部分。膜片系统的位移变量采用表示，方向向上为正，运动方程如下：(1)式中，膜片质量，主弹簧刚度、质量、预压缩量。膜片运动中，调整块与下限位碰撞

8、过程采用“接触→压缩→回弹→脱离”非线性弹簧模型，弹簧刚度表示为：