基于CFD的機械隨動調節高度控制閥數值仿真

周耀兵, 嚴伊豪, 高隆隆, 李寶仁

(1.武漢第二船舶設計研究所, 湖北 武漢 430064; 2.華中科技大學 機械科學與工程學院 FESTO氣動中心, 湖北 武漢 430074)

引言

氣動技術是以壓縮機為動力源, 以壓縮氣體為工作介質, 進行能量傳遞和信號傳遞的工程技術, 是實現各種生產控制、自動控制的重要手段之一。氣動技術由于快速性好、結構簡單、使用維護方便, 在民用和國防等工業部門得到廣泛應用[1]。

隨著列車行車速度的提高,軌道高低不平順造成的輪對跳動加劇,對乘車舒適性造成不利影響[2]。為了解決這些安全問題,在車體和轉向架之間安裝 懸掛控制裝置,其核心部件就是機械隨動調節高度控制閥[3]。機械隨動調節高度控制閥其本質是流量調節閥,由閥體、閥芯、閥套、套筒、端蓋、偏心輪等部件組成,實現了根據載荷的變化調節車體高度的目標。機械隨動調節高度控制閥狀態的好壞,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驗驗證。張廣世等[4]根據機械隨動調節高度控制閥的工作原理建立了力學方程和氣體流量方程,并研究了機械隨動調節高度控制閥的結構參數如阻尼、杠桿比以及節流面積等對其性能的影響,最終得到了機械隨動調節高度控制閥特性與其結構參數的關系式。張新宇[5]建立了機械隨動調節高度控制閥的數學模型,分析了機械隨動調節高度控制閥內部的節流結構對充排風流量特性的影響,并對比了仿真計算和試驗結果。

目前對其流量特性的理論研究主要集中分析和研究其Simulink的數學模型,很少有通過CFD的方式對其進行數值模擬。隨著計算機技術的發展和計算流體力學理論的深入研究,采用CFD方法研究閥門流場特性已在許多方面獲得與實驗基本一致的效果[6],包括閥門流噪聲[7]、穩態和振動分析[8-9]、穩態氣動力[10]等。因此針對這一問題,采用CFD數值模擬方法對其內部流場進行仿真分析可為其優化設計提供理論基礎[11-14]。

1 機械隨動調節高度控制閥工作原理

圖1為所設計的機械隨動調節高度控制閥的結構簡圖。

1.排風口 2.閥體 3.閥芯 4.閥桿 5.閥套 6.閥座 7.出風口 8.端蓋 9.供風口

當軌道列車載荷增加時,空氣彈簧壓力增加,體積減小,進而列車高度降低,帶動機械隨動調節高度控制閥的閥桿4旋轉,進而通過偏心輪帶動閥芯3頂開閥座6,同時其頂端與閥座6壓緊,壓縮空氣通過供風口進入空氣彈簧,進而實現對空氣彈簧充氣,使得空氣彈簧壓力升高,體積膨脹,推動列車高度回升,直到閥桿4重新回中位,充氣過程結束。

當軌道列車載荷減少時,空氣彈簧壓力減小,體積增大,進而列車高度升高,帶動機械隨動調節高度控制閥的閥桿4旋轉,進而通過偏心輪帶動閥芯3脫離閥座6,同時閥套5頂端與閥座6壓緊,壓縮空氣通過空氣彈簧排出,進而實現對空氣彈簧排氣,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,排氣過程結束。

2 CFD仿真計算

通過對機械隨動調節高度控制閥閥口進行流場仿真分析,可以直觀的認識其壓力、速度、流線等云圖以及進出口流量等重要參數,并可以通過仿真分析對其在工作過程中可能出現的問題進行預測以此指導和優化其結構。

本研究主要利用CFD仿真軟件Fluent對機械隨動調節高度控制閥進行內部流場仿真分析。

對機械隨動調節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°的工況分別進行靜態流場仿真。

以下以機械隨動調節高度控制閥閥桿角度為9.5°時為例,進行仿真分析。

2.1 幾何建模

為分析閥口位置的流動以及其出口流量,對其內部流體流道進行抽取,從而得到其初步的流道模型經過簡化處理,機械隨動調節高度控制閥閥桿角度為9.5°時其初步流道模型,如圖2所示。

圖2 機械隨動調節高度控制閥閥桿角度9.5°流道模型

2.2 網格劃分

使用Fluent Mesh模塊進行網格劃分,在此模型中,機械隨動調節高度控制閥閥口附近的流道為最小截面流道,其最為關鍵,其網格應重點劃分,因此設置網格劃分方法以Curvature(自適應)和Proximity(縫隙)方法生成面網格,并以Ploy-hexcore(多面體—六面體核心)網格生成體網格,其具有更高的網格精度,并能減少60%的網格數量。如圖3即為機械隨動調節高度控制閥閥桿角度為9.5°時流道模型的網格劃分結果。設置其邊界條件,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。在機械隨動調節高度控制閥閥桿角度為9.5°時的機械隨動調節高度控制閥流道模型中,網格數量約308萬個,其最大歪斜率為0.5946,確保了良好的網格質量。

圖3 機械隨動調節高度控制閥閥桿角度9.5°流道模型的網格劃分結果

2.3 Fluent仿真分析

以下對模型求解過程中相對重要的參數設置進行具體說明。

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展而來的,其會按順序依次求解動量方程、壓力修正方程、能量方程和組分方程及其他標量方程,如湍流方程等,在密度基求解器中是沒有的。

本研究的機械隨動調節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模型的求解要求。

2) 流動模型的選擇

Fluent提供的流動模型有: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力模型等[15]。

在本研究的閥口數值模擬中,作以下假設:

(1) 流體流動完全為湍流;

(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能K的基礎上,再引入一個有關湍流動耗散率ε的方程,其標準工況占內存小,收斂性好適用于可壓縮或不可壓縮完全湍流流動。根據本研究流場分析的實際特點,本研究的流動模型選擇此RNGk-ε模型。

3) 流動介質的選擇

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

4) 邊界條件的設置

在機械隨動調節高度控制閥閥桿角度為9.5°時,即排氣過程中,其邊界條件:壓力入口邊界設定為1 MPa (表壓),壓力出口邊界設定為大氣壓。除所設置的進出口外均為Wall邊界,且由于氣流速度大,故忽略其內部氣體與外界的熱交換,則壁面設定為絕熱壁面,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算法的改進算法之一,以保證較好的收斂的效果。

3 仿真結果分析

分析圖4機械隨動調節高度控制閥閥桿角度為9.5°時壓力云圖可知, 在經過閥口之前流道內壓力符合設置的進口壓力1 MPa, 在經過機械隨動調節高度控制閥閥口時,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定,閥口位置產生了一定程度的渦旋。

圖4 機械隨動調節高度控制閥閥桿角度為9.5°時壓力云圖

分析圖5機械隨動調節高度控制閥閥桿角度為9.5°時速度云圖可知,在經過閥口之前流道內速度狀態分布均勻,在經過機械隨動調節高度控制閥閥口時,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 機械隨動調節高度控制閥閥桿角度為9.5°時速度云圖

機械隨動調節高度控制閥閥桿不同角度流經機械隨動調節高度控制閥閥口的氣體流量仿真結果如下表1、表2所示。

表1 機械隨動調節高度控制閥閥桿不同角度時流經閥口供氣流量及閥芯位移

表2 機械隨動調節高度控制閥閥桿不同角度時流經閥口排氣流量及閥芯位移

根據表1與表2的數據繪制機械隨動調節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中機械隨動調節高度控制閥實際工作要求最小、最大流量曲線,可以看出機械隨動調節高度控制閥閥桿在不同轉角下的閥口流量符合規定的范圍內。

圖6 機械隨動調節高度控制閥閥口流量仿真曲線

4 結論

(1) 本研究提出了機械隨動調節高度控制閥流量試驗仿真方案,可對試驗結果進行預測;

(2) 本研究以機械隨動調節高度控制閥閥桿開度為9.5°為例對機械隨動調節高度控制閥閥口流量進行了數值模擬,并對其壓力云圖和速度云圖進行了分析;

(3) 本研究對機械隨動調節高度控制閥的結構設計和優化以及控制特性的改善具有一定的指導意義。