葉奇昉,劉杰,陳江平
(1-上海汽車集團技術中心,上海 210804;2-上海交通大學,上海 200240)
單向閥作為最簡單的自控元件在不同類型的制冷系統(tǒng)中有廣泛的應用。然而單向閥在某些特定工作條件下中經常出現(xiàn)工作不穩(wěn)定的情況,表現(xiàn)為:閥門不斷開閉,閥芯敲擊閥座產生很大噪聲,整個制冷系統(tǒng)工況不穩(wěn)定。前人針對直動式閥件動力學特性研究有一定基礎,但研究對象大多數針對不可壓縮流體[1-5]。研究方法主要以仿真研究為主,在研究過程中對系統(tǒng)進行的簡化過多,所建立的模型不能很好地反映出閥芯與流體的相互作用。
本文首先對閥內流動進行 CFD研究,獲得不同工作壓力、工作流量條件下單向閥閥芯受到的流體作用力;然后基于流固相互耦合作用建立單向閥動力學模型,并對不同工作條件下的單向閥工作狀態(tài)進行可視化實驗研究,通過實驗結果驗證模型的準確性。
典型的制冷系統(tǒng)用的單向閥如圖 1,當流體從進口流入時,流體作用力推動閥芯向右移動導致閥門開啟,流體流出;當流體流向相反時,流體作用力導致閥芯左移,閥門關閉。
圖1 單向閥結構示意圖
閥內結構相對復雜,因此本文采用 CFD方法針對以氮氣為工質的單向閥進行仿真研究。對不同進口壓力、出口流量、閥門開度時的閥內流場進行了模擬,以獲得不同條件下單向閥閥芯受到的流體作用力。
圖2為單向閥模型的面網格圖。由于結構相對較復雜,采用四面體與六面體兩種網格相結合的方法對閥內網格進行劃分。圖2所示結構共包含四個部分:進口流道、喉部流道、閥口流道和出口流道。
圖2 單向閥網格劃分示意圖
采用帶有壁面函數的標準κ-ε湍流模型,湍流度為5%。采用一階離散方法來求解流場方程,求解收斂標準為殘差10-3。
為了獲得閥芯的流體作用力采取的邊界條件為:進口壓力邊界條件,出口流量邊界條件。計算的具體工況如表1。
表1 計算工況
閥芯受到的流體作用力與進口壓力的關系如圖 3。由圖可知,隨著進口壓力的升高,流體作用力呈近似線性增加。閥芯受到的流體作用力與進口流量的關系如圖 4。由圖可知,隨著進口流量的升高,流體作用力呈近似二次方關系增加。
流體作用力與閥門開度的關系如圖 5。由圖可知:當閥門開度小于0.4 mm時,隨著開度的增加流體作用力急劇降低;當閥門開度大于0.4 mm時,隨著開度的增加流體作用力逐漸降低,但降低的趨勢變緩。
圖3 流體作用力與進口壓力的關系
圖4 流體作用力與進口流量的關系
圖5 流體作用力與閥門開度的關系
單向閥動力學研究對象包括單向閥本身及其上下游管路中的氣體。圖6為單向閥系統(tǒng)示意圖,包括氣源、上下游調節(jié)閥、上下游管路、單向閥。上游氣源中壓力為pu,穩(wěn)定狀態(tài)下單向閥上、下游調節(jié)閥中流量分別為Qs與Qd。
圖6 單向閥系統(tǒng)示意圖
Qs與 Qd為流經上下游調節(jié)閥的流體流量,分別可以表示為:
式中:
Cd——調節(jié)閥的流量系數;
Au, Ad——上下游調節(jié)閥的流通面積,對于確定工況為常數;
pu——氣源中流體壓力;
ps——上游管路中流體壓力;
pd——下游管路中流體壓力;
ρu——上游氣源中流體密度;
ρa——上游調節(jié)閥出口的流體密度。流經單向閥的流體流量為:
式中:
Cc——單向閥的流量系數,由CFD計算得出;
Ac——單向閥的閥口流通面積;
pin, pout——單向閥進出口壓力。
當單向閥上下游管路長度大于0.3 m時,必須考慮管路中壓力波傳遞,管內速度壓力波動可由流體的連續(xù)方程與動量方程描述:
式中:
u——流體速度;
a——流體中聲波速度。
假設閥芯振動過程為單自由度運動,閥芯振動取決于:閥芯質量、流體作用力、阻尼力;其振動方程可表示為:
式中:
m——閥芯質量;
δ——阻尼系數;
e——恢復系數;
FΔp——不同條件下的流體作用力,F(xiàn)Δp由CFD仿真獲得。
綜上所述,單向閥系統(tǒng)的動態(tài)模型為式(1)~式(7),對系統(tǒng)動態(tài)特性進行模擬時,采用四階龍格-庫塔法模擬閥芯振動,采用特征線法模擬閥上下游管路中的壓力波動。
為了研究單向閥在不同工作條件下的動力學特性,對閥芯振動進行了可視化研究。如圖7所示,實驗系統(tǒng)包括氮氣氣瓶、管路、調節(jié)閥、壓力傳感器、壓力表、可視化單向閥、壓差傳感器、高速照相機以及體積流量計。
實驗針對不同進口壓力、出口流量,實驗工況如表 2。實驗過程中,針對不同進口壓力準靜態(tài)地增加出口流量直到閥芯停止振動為止。
圖7 實驗臺原理圖
表2 實驗工況
當準靜態(tài)地增加進口流量,單向閥的工作狀態(tài)如圖 8。由圖可知,當進口流量較小,進口壓力較低時,單向閥的工作狀態(tài)在A區(qū)域,此時閥芯在閥內產生穩(wěn)定的振動,單向閥工作不穩(wěn)定;隨著進口流量與進口壓力的增加,振動將在某一臨界流量停止,工作狀態(tài)進入B區(qū)域,此時閥芯靜止于閥內,單向閥工作穩(wěn)定。圖8比較了臨界流量的仿真結果與實驗結果,并基于實驗結果采用最小二乘法獲得閥芯運動時的阻尼系數。由圖可知:動力學模型能夠較為準確的預測單向閥穩(wěn)定工作區(qū)域,判斷單向閥的工作狀態(tài)。
圖8 進口流量準靜態(tài)增加時單向閥工作狀態(tài)
當單向閥工作條件處于圖8中A區(qū)時,閥芯將出現(xiàn)穩(wěn)定的振動,振動頻率實驗結果與仿真結果如圖 9。由圖可知:對于不同的工作狀態(tài),閥芯振動頻率的仿真結果與實驗結果較為接近,動力學模型能夠準確的預測進口壓力、進口流量對閥芯振動頻率的影響。
圖9 不同工作條件下單向閥閥芯振動頻率
本文基于系統(tǒng)內流體與閥芯的相互耦合作用,建立了制冷系統(tǒng)用單向閥系統(tǒng)的動力學模型。不同工作條件下閥芯振動的可視化實驗研究結果表明:該模型能夠比較精確地預測單向閥的不穩(wěn)定工作區(qū)域,確定單向閥在不同條件下的工作狀態(tài)。當閥芯不穩(wěn)定工作時,對于不同的工作條件,閥芯振動頻率的仿真結果與實驗結果較為接近,動力學模型能夠準確的預測進口壓力、進口流量對閥芯振動頻率的影響。實驗結果驗證了動力學模型的準確性,該模型可以作為單向閥動力學分析的工具。
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