气动阀门自激振动数值模拟研究概述

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1、综述航天制造技术综述气动阀门自激振动数值模拟研究概述江海峰周炎叶超陈二锋方红荣薛立鹏满满（北京宇航系统工程研究所，北京100076）摘要：对目前气动阀门自激振动数值模拟相关研究内容进行了调研，梳理了常见的研究方法，包括：零维模型数值模拟、三维模型数值模拟、“虚拟挡板”方法、商业软件流固耦合数值模拟。最后给出了研究思路方面的建议。关键字：自激振动；气动阀门；数值模拟；负阻尼ReviewonNumericalSimulationofSelf-excitedVibrationinPneumaticValvesJiangHaifengZhouYanYeC

2、haoChenErfengFangHongrongXueLipengManMan(BeijingInstituteofAstronauticalSystemsEngineering,Beijing100076)Abstract：Thepresentthesisinvestigatesthepreviousresearchonnumericalsimulationofself-excitedvibrationinpneumaticvalves.Commonresearchmethodsareclassifiedintofourtypes,inclu

3、dingzerodimensionalnumericalsimulation,threedimensionalnumericalsimulation,thetechniqueofzero-thicknessvirtualbafflewithvariablestrake,numericalsimulationoffluid-structureinteractionbycommercialsoftware.Finally,suggestionsonresearchprocessareprovided.Keywords：self-excitedvibr

4、ation；pneumaticvalve；numericalsimulation；negativedamping1引言台的冲击，或运载火箭POGO振动（发动机端存在激励）；另一类是自激振动，认为来流是均匀稳定的，无[1]阀门是运载火箭增压输送系统的重要单机。增压脉动成分，通常包括颤振、弛振、涡激振动等形式。系统在地面测试、靶场飞行过程中曾多次发生阀门的阀门的自激振动包括两类：一类是颤振，为阀芯的周气固耦合自激振动，引起管路颤振、阀门鸣叫等问题，期性往复振动；另一类是阀门非流线型结构的扰流，严重时造成阀门破坏、增压失效。阀门的气固耦合自产生周期性的

5、漩涡脱落，并形成压力脉动，该压力脉激振动不仅影响生产周期、增加成本，还给型号发射动若与结构的固有频率相耦合，会形成较大的振动。带来隐患。消除阀门工作过程中的振颤、鸣叫现象成由于涡激振动与流道等有关系，很难从理论上得到定为增压输送系统亟待解决的重要问题。性分析，本文的阀门自激振动特指颤振。由于阀门振动引发的振颤、鸣叫等问题均属于流国外对自激振动的研究起源于20世纪20年代航致振动范畴，涉及到流固耦合、动力学、振动、气动空工业中结构与气流耦合引发的机翼颤振问题，这是弹性等多个学科，产生机理复杂。根据有无外部激励，一种由于结构的变形而引发的结构、气流耦

6、合动力学可将流致振动分为两大类，一类是受迫振动，认为来不稳定性问题，美国为此专门成立了振动—颤振专业[2，3]流中含脉动成分，如海浪的周期性压力脉动对钻井平委员会，并开展了大量系统的研究；近年来，国作者简介：江海峰（1983-），硕士，流体传动分析与设计专业；研究方向：运载火箭增压输送系统设计与仿真。收稿日期：2014-02-147综述2014年4月第2期内外学者已逐渐认识到阀门颤振这种结构、流体耦合的控制方程组。阀门处于稳定状态时，控制方程组中的动力学不稳定问题，并通过建立相应的流固耦合动含时间导数项为0，对方程组线性化后运用罗斯-霍尔力学模型

7、，开展各种扰动条件下的振动响应分析，取威茨准则判别平衡点的稳定性，同时，采用Runge-得了一定进展。前人针对液压阀门的自激振动问题开Kutta法数值求解稳态下的阀芯受到扰动时的动态响展了大量试验和数值模拟研究，对阀芯在不同工作状应特性。计算得到该阀的稳定性区间分布见图2。态下的振动特性及自激振动机理进行了研究，这方面以加拿大McMaster大学的D.S.Weaver、日本东北大学[4～的S.Hayashi、加拿大多伦多大学的A.Misra为代表8]。但是液压阀门自激振动研究大多针对不可压缩流体，且阀门结构形式较为简单，多为单向式、直动式节流阀。

8、本文将针对气动阀门自激振动机理及数值模拟方法开展调研，梳理相关研究思路，探索箭上气动阀门的稳定性分析方法。图2电磁阀阀芯稳定性区间分布2