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基于ADINA的安溢阀流固耦合技术研究

更新时间:2016-07-05

0 引 言

气动活门动态特性的研究主要采用试验方法及数值分析两种方法。试验方法直接、可靠,但成本较高;数值方法不但经济、快捷,而且还可分析出试验难以考核的工况,有助于全面、系统地了解产品特性。目前,研究气动活门的数值方法主要有:a)三维流固耦合模拟;b)系统动力学仿真。三维流固耦合偏重于从场角度研究局部耦合的影响,精细地分析流固耦合作用。

有限元技术分析仿真软件(Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis,ADINA)在阀门三维流固耦合(Fluid Structure Interaction,FSI)模拟方面具有独特的技术优势。ADINA软件通过FSI求解器,将流体模型数据、结构模型数据综合在一起,构造流体和结构零件发生作用的 FSI界面并形成附加方程,然后对整个系统进行求解[1]。安溢阀工作过程模拟复杂,要完成该项工作,FSI功能是基础,而动网格控制技术、控制流体通道的开启或关闭(Gap)等功能则是不可缺少的辅助,通过Gap边界用来模拟不同控制腔之间在不同时刻的打开-关闭状态转换。然而零件在流场中产生运动时,要求流场网格实时进行调整,为满足系统的运动协调附加方程,可通过ADINA软件的动网格技术实现[2]。本文采用ADINA软件建立了气动安溢阀的整阀三维流固耦合模型,采用等效方法进行了局部流场分析,并对活门的运动特性及各腔压力进行仿真分析,对于进一步了解阀门特性提供一定的理论基础。

1 气动元件—安溢阀工作原理

作为运载火箭增压输送系统中的重要功能元件,安溢阀在工作过程中一直处于动态调整状态,动态特性是影响其性能指标的关键因素。调整过程不仅包含流体的非定常流动、活门的刚体运动以及弹性敏感元件的变形运动,而且还包含流体与活门、流体与敏感元件之间的耦合振动,因此是一种典型的流固耦合问题。高精度安溢阀一般为指挥作用式结构,由主阀和指挥阀组成,主阀是介质排出的主要通道,指挥阀控制主阀的启闭、调整主阀的开度[3,4],如所图1所示。

风景园林成本管理中,完善的管理制度是基础保障,所以必须要结合自身实际,对成本管理制度不断完善,有效提高成本管理的效果。要求进一步对成本过高的因素进行挖掘分析,通过节支降耗等措施有效降低成本。为了使成本管理目标得到有效落实,应对目标责任制进行逐步完善,对全面预算管理和责任成本管理进行积极推行,详细分解目标成本,在绩效考核体系中融入成本指标,认真落实,充分结合内部奖惩制度,对目标成本与实际成本的差异进行认真对比,确保目标成本的顺利实现。

图1 安溢阀原理图 Fig.1 Principle Diagram of Safety Valve

2 指挥阀环流间隙等效模拟研究

最严格水资源管理制度进一步落实。起草了《自治区最严格水资源管理制度实施意见》《自治区实行最严格水资源管理制度考核办法》。完成盟市、旗县“三条红线”控制指标分解确认,建立起覆盖三级行政区域的“三条红线”指标体系,并纳入自治区党委组织部对各盟市领导班子年度目标考核体系。出台了《自治区地下水管理办法》,自2013年10月1日起施行。自治区水资源管理系统一期工程建设基本完成,对全区80家重点用水企业实施了在线监控。开展了全区地下水专项执法检查,核查关闭自备水源井,治理区域违规取用地下水行为。呼和浩特市、鄂尔多斯市全国节水型社会建设试点通过水利部验收。

由图5可知,将图5a~d曲线中的数据以TXT数据格式读入到局部模型中,并作为输入参数,启动局部模型的计算。

b)导向间隙小、流速大,对结构具有一定阻尼力。

b)指挥腔作用于膜盒的阻尼孔端面;

采用局部模型进行计算时,首先只是通过流场计算获得阻尼力,然后将阻尼力施加在结构上再次进行流固耦合分析,这样就可以在系统模型中考虑阻尼力的影响。主要过程如下:

a)建立以等效导向间隙面积实现流量的模型,完全不考虑阻尼力,进行流固耦合系统的计算,同时提取各个腔流体压力的变化曲线;

图1是用户通过在线社交应用发布消息的系统。整个系统分为三个部分:消息发布者、消息请求者和在线社交应用。整个处理过程在在线社交应用内部处理,对用户是透明的,社交应用通过两个步骤控制整个过程:(1)对消息发布者提交的内容进行语义标注(2)根据请求者的隐私权限,将发布者提交的内容中涉及隐私的词汇进行模糊化,产生与消息发布者提交的内容语义一致的消息发送给请求者。为了实现这两个功能,在线社交应用需要两个模块:标注模块和访问控制模块。

b)建立导向间隙局部真实模型,将上述计算获得的各个腔压力变化载荷施加在独立局部模型的入口,获得独立局部模型的流动特性及其对结构形成的作用力(由于与导向间隙的流体相比,结构(即拉杆)运动速度远远低于流动速度,对于导向间隙的流场和流动不构成明显的影响,因此这样的假设是成立的);

c)将流场仿真获得的阻尼力施加到系统模型中,重新进行计算,从而获得施加阻尼力的计算结果;

d)验证结果阻尼力施加的有效性。

3 建立以等效导向间隙面积实现流量的模型

建立导向间隙环流的等效流固耦合模型,导向间隙的流量是按照流量直径等效,如图2所示,在主阀腔和指挥腔之间建立一个连通管,获得其等效直径及等效面积。

图2 间隙环流等效模型 Fig.2 Equivalent Model of Gap Circulation

在完全不考虑阻尼力的情况下,可获得安溢阀的整体系统特性。在大流量及额定流量工况下,各个边界的压力变化通过ADINA软件进行处理,并将处理后的数据输出功能整理为TXT格式文件,这些文件当作曲线数据在独立局部模型中读入并施加在相应边界上。

3.1 建立导向间隙局部真实模型

建立真实构型的局部模型(见图3),通过布尔运算,获得环流间隙的物理尺寸。局部模型与外界流场相连的位置为边界,需要引入计算获得的压力变化数值作为边界条件,通过局部模型的计算,提取相应流场条件下的局部模型提供给指挥阀的阻尼力。

图3 局部模型 Fig.3 Particle Equivalent Model

在等效局部模型中,施加压力条件的边界有 4个(见图4),分别是:

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由于导向间隙和结构耦合作用是一个复杂的环节,因此对整体流固耦合系统响应起重要影响,但从分析模拟的角度出发,可以采用一个独立局部模型来确定其对系统模型的影响,而不用在系统模型中直接体现局部复杂的环节。因为局部的复杂性可增加系统模型的复杂性,导致模型的建模和求解困难,从而无法保证系统模型的准确性和顺利求解[7,8]

c)指挥腔拉套内部流场连通端面;

d)指挥腔与拉套外侧流场连通端面(导向间隙)。

a)指挥腔连接到主腔的端面;

图4 局部模型的施压边界 Fig.4 Boundary of the Particle Model of Gap Circulation

通过计算得到4个端面的压力变化结果如图5所示。

图5 边界压力变化 Fig.5 Transformation of Boundary Pressure

a)导向间隙连通主阀腔和指挥腔,在两侧压差的作用下形成流动,同时平衡两腔压力;

3.2 阻尼力等效计算

通过局部模型计算,获得局部模型给出的对结构的作用力,这种作用力在x,y,z 3个方向都存在,但只考虑z方向的作用力曲线,如图6所示。图6中的曲线数据同样可以用 ADINA软件的参数传递再次传递给系统模型,作为时间-力曲线施加在指挥阀拉杆中心点。

由图1可知,当安溢阀入口压力高于打开压力时,指挥阀敏感元件在压差作用下带动指挥阀拉杆运动,打开背压腔放气通道,使背压腔压力降低,主阀敏感元件在压差作用下带动主阀打开;当安溢阀入口压力低于关闭压力时,指挥阀敏感元件两侧压差减小,指挥阀回位运动,关闭背压腔放气通道,打开主阀腔经过指挥阀与背压腔连接的充气通道,使背压腔压力升高,主阀在回位弹簧作用下关闭[5,6]

图6 局部模型计算获得阻尼力曲线 Fig.6 Damping Force Curve Calculated in Particle Model

将阻尼力曲线施加到整体模型中并重新进行计算,从而可以获得考虑阻尼力的计算结果。

依据2017年各月网络关注度数据,计算张家界各月客源市场地理集中度指数(表1)。从表1中可以看到,张家界客源市场分布较均匀,2017年地理集中度为20.59,张家界客源市场结构存在明显的变化,各月地理集中度指数均有一定的差异,但总体均较小,地理集中度指数值在20.14~21.81,其中,4~7月、9月地理集中度指数明显低于年均值,游客分散,客源市场分布更为均匀,1~2月、8月、11~12月地理集中度指数明显高于年均值,客源市场分布相对集中,在一定程度上反映出旅游旺季客源市场更为分散,旅游淡季客源市场较为集中。

3.3 等效模型验证

为了验证此方法的有效性,将阻尼力等效计算获得的边界压力曲线与建立以等效导向间隙面积实现流量的模型相应曲线进行比对,可以发现两组曲线趋势相近,如图 7所示。因此可进一步判断如果将考虑阻尼力的结果作为局部模型的输入条件,可以获得更为准确的阻尼力,这是一个迭代收敛的过程。

图7 两种情况的阻力曲线对比 Fig.7 Damping Force Comparison Curve

4 仿真结果分析

通过仿真计算可知,在大流量工况中,试验系统控制输入气枕流量的孔板前入口压力从0.2 s的初始压力线性增大到0.3 s的1.5 MPa并一直保持不变。在计算过程中,最长步长为0.05 s,最小步长为0.001 s,总计算步数为1 500 步,模拟的物理时间为5 s,计算时间约36 h。活门运动过程中主阀及指挥阀的特性曲线如图8所示。

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图8 活门运动特性曲线 Fig.8 Movement Curve of Valve

由图8可知,在大流量工况下,指挥阀开启时间为0.74 s,主阀在0.83 s时开启,两者延迟时间为0.09 s。主阀开度最大约为 3.66 mm,之后将呈现某个主频率主导的振荡运动,振荡幅度逐步减小,但在5 s的时间内,主阀仍未达到稳定或者静止。对于指挥阀,初次开启、关闭后并非一直处于关闭状态,在主阀的振荡过程中,指挥阀仍开启,但开启的开度很小,时间很短。此外,在模型中由于指挥阀的初始位置不为零,因此在0~0.2 s的过程中,指挥阀为了达到关闭的位置,具有一个很小的位移,此位移发生后其所在的位置是指挥阀的初始位置。

在活门工作过程中,流场的开启、关闭导致了流场不同腔的压力发生明显的变化。主阀腔、背压腔的压力变化过程如图9所示。

图9 主阀腔和背压腔的压力变化曲线 Fig.9 Pressure Curve of Main Valve and Control Valve

由图 9可知,背压腔开启前主阀腔和背压腔的压力变化相同,背压腔开启时的压力值为0.376 MPa时,背压腔压力迅速降低,并维持在0.2 MPa附近振荡。主阀腔的压力也经历升高、降低并振荡的过程,并有趋于稳定的迹象。

本课程教学改革的目的在于改善当前国际结算授课内容落后于实务操作的现状,给学生补充适应跨境电商需求的国际结算知识,为毕业后有更多的就业选择奠定基础。

5 结 论

a)采用ADINA软件,建立了安溢阀三维流固耦和分析的动力学模型,对于间隙流场,建立了等效模型与真实模型进行了比对分析;

期待治疗指:不作任何处理,只是给予密切监测与随访,待疾病自愈的治疗方式[2]。异位妊娠患者由于胚胎着床部位不对,孕初期胚胎极易因供血营养不佳而死亡,而后自行吸收消失。对于缺乏临床症状或症状较轻、包块直径小、腹腔出血少、血清人绒毛膜促性腺激素检测值小于1500 m U/m L的异位妊娠患者而言,期待治疗方法可获得一定的疗效。与手术或药物治疗方法相比,期待治疗有效防止了因手术操作、麻醉等因素而引发的一系列并发症以及药物不良反应,治疗费用方面也大大减少了。但是,不可不提的是,期待治疗存在一定的风险,治疗前要严格掌握适应证,以免导致患者病情恶化而增加治疗难度。

b)采用等效模型进行了额定流量与大流量的仿真计算,获得了阀门内运动部件的运动曲线以及主阀腔与背压腔的压力变化曲线;

c)对于充分了解安溢阀结构部件的运动特性与流场的逻辑关系提供理论支持。

参 考 文 献

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Gao Lin. Foundation of ADINA analysis and engineering practice[M].Beijing: Tsinghua University Press, 2017.

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崔景芝,江海锋,刘春姐,葛孝月
《导弹与航天运载技术》2018年第02期文献

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